автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Прогноз осадок во времени дорожных насыпей на посадочных лессовых грунтах в условиях поливного земледелия Таджикистана

¿Г/.

к/ г/

/

ь. тпы_т\

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

"»» АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫИ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Кадыров Мурод Нарзи

ПРОГНОЗ ОСАДОК ВО ВРЕМЕНИ ДОРОЖНЫХ НАСЫПЕЙ НА ПРОСАДОЧНЫХ ЛЕССОВЫХ ГРУНТАХ В УСЛОВИЯХ ПОЛИВНОГО ЗЕМЛЕДЕЛИЯ

ТАДЖИКИСТАНА

05.23.11 - Строительство

автомобильных дорог и аэродромов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор Э.М.Добров

Москва 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ...............................8

1.1. Масштаб reo динамических процессов, проявляемых при эксплуатации автодорог в Таджикистане......................................................8

1.2. Основные виды геодинамических процессов.............................................13

1.2.1. Подтопление лессовых оснований сооружений....................................14

1.2.1.1. Изменение состава, структуры и физико-механических

свойств при подтоплении застроенных территорий.......................18

1.2.2. .Суббозионно-карстовые явления-........................................................25

1.2.3. Оползневые явления................................................................................26

1.2.4. Просадочность лессовых оснований......................................................29

1.2.5. Послепросадочная суффозионно-пластическая деформация уплотнения лессовых оснований...........................................................41

1.2.6. Вязкопластические деформации лессов в основаниях дорожных насыпей, как одна из форм нарушения

устойчивости земляного полотна < ...........................................50

1.3. Выводы и постановка задач исследования..................................................55

2. ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ФИЛЬТРАЦИОННЫХ ПРОЦЕССОВ НА ХАРАКТЕР УВЛАЖНЕНИЯ ЛЕССОВЫХ ОСНОВАНИЙ ДОРОЖНЫХ НАСЫПЕЙ..................................................................................57

2.1. Инженерно-геологическое строение лессового основания земляного полотна автомобильной дороги Душанбе - Курган-Тюбе..........................57

2.2. Физическое моделирование процессов фильтрационного обводнения лессового основания насыпей......................................................................60

2.3. Основные положения и реализация метода конечных

элементов на ПЭВМ для фильтрационных задач.......................................62

2.4. Результаты математического моделирования методом конечных элементов обводнения лессовых оснований

дорожных насыпей.......................................................................................65

3. ИССЛЕДОВАНИЕ УСЛОВИЙ И ОСОБЕННОСТЕЙ ДЛИТЕЛЬНОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ЛЕССОВЫХ

ОСНОВАНИЙ ДОРОЖНЫХ НАСЫПЕЙ........................................................78

3.1. Реологические свойства грунтов..................................................................78

3.2. Коэффициент вязкости глинистых грунтов и методы

его определения............................................................................................82

3.3. Прогноз деформации погружения конструкции дорожной

насыпи в толщу увлажненных лессов.........................................................84

3.3.1. Расчетная модель.....................................................................................84

3.3.2. Теоретический прогноз вязкопластического погружения дорожных конструкций..........................................................................85

3.3.3. Результаты математического моделирования процесса вязкопластического погружения............................................................91

4. СРАВНЕНИЕ ДАННЫХ ПОЛЕВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ И РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ...........................................................................................104

4.1. Анализ условий формирования «сухого ядра» в основании насыпи на автомобильной дороге Душанбе - Курган-Тюбе в свете полученных результатов экспериментальных

исследований...............................................................................................105

4.2. Характер накопления деформации за счет вязкого погружения

ядра и насыпи..............................................................................................108

4.3. Рекомендации по обеспечению длительной стабильности насыпей автомобильных дорог, сооружаемых в условиях

поливного земледелия республики Таджикистан.....................................110

4.3.1. Обеспечение стабильности земляного полотна вновь

проектируемых автомобильных дорог................................................111

4.4. Применение геотекстильных материалов..................................................120

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ...............................................................................................123

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................125

СПРАВКА О ВНЕДРЕНИИ................................................................................137

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Исторически сложилось так, что нынешняя территория Республики Таджикистан расположена в зоне наиболее широкого распространения лессовых грунтов, освоение которых началось относительно недавно, что связано с горным рельефом местности и малой плотностью населения. Наиболее мощные толщи 40-60 м встречаются в долинах рек, причем неравномерное распространение лессовой толщи также связаны с горным рельефом. На склонах лессовые грунты расположены в виде покрывала сглаживающие скальные основания. Но, несмотря на все это, по лессовым грунтам Таджикистана накоплен огромный материал, имеется ряд полигонов и научный потенциал. Среднеазиатская школа механики грунтов известна рядом выдающихся ученых, которые занимались изучением лессовых пород Средней Азии. Это такие ученые как Г.А.Мавлянов, Е.Н.Сквалецкий, А.А.Мусаэлян, М.М.Маматкулов, Е.С.Дзекцер, Л.М.Певзнер, Н.Н.Маслов и многие другие.

Присутствие в грунте глинистых фракций приводит к проявлению вязких свойств (из-за поверхностных эффектов в тонкодисперсных составляющих). Наличие в грунте воды не только меняет параметры механических свойств в количественном отношении, но также приводит и к заметным вязкостным эффектам. Особенно этому подвержены лессовые породы.

При попадании влаги в лессовую толщу происходят структурные изменения, нарушение связей между частицами обволакивание поверхности частиц водными пленками, снижение сцепления между частицами, их взаимное перемещение, текстурные изменения, доуплотнение под собственной тяжестью, или дополнительной нагрузки и все это производит за очень короткий промежуток времени.

В Республике Таджикистан описываемые породы составляют более 66% общей площади [104] и широко распространены на равнинах и склонах гор, в долинах рек Сырдарья, Зеравшан, Вахш, Каферниган и др., а также сплошным чехлом лессы залегают на равнинах и в низких предгорьях [31].

Величина начального просадочного давления лессовых грунтов обычно равна 0,02-0,06 мПа, т.е. просадка от действия собственного проходит с глубины 1,5-3,5 м [3, 45].

Результаты многолетнего изучения инженерно-геологических условий территории Таджикистана свидетельствует, что грунты. большинства районов

относятся к четвертичным отклонениям.- Согласно классификации, эти отложения делятся на четыре отдела и включают шесть комплексов: нижнечетвертичный (Вахшский и Кулябский), среднечетвертичный (Илякский), Верхнечетвертичный (Душанбинский), Современный (Амударьинский).

В геоморфологическом отношении территория Республики делится на пять крупных регионов [104]:

I. Северо-Таджикский (Ашский и Матчинский районы Ленинабадской области).

II. Северо-Восточный (Западная часть Ферганской долины), в который входят почти все остальные районы этой области.

1П. Центрально-Таджикский (Айкинский, Пенджикентский и части Ган-чинского и Гармского районов).

IV. Юго-Западная или Южно-Таджикская депрессия, в которую входят отложения Хатлонской обл., а также территория Душанбе и окружающих его районов.

V. Юго-Восточный регион (Памирское поднятие) - Горно-Бадахшанская автономная область.

Наиболее важным представляется изучение инженерно-геологических особенностей грунтов, распространенных в Северо-Восточном Центральном Таджикистане и Юго-Западном регионах, где широко развернуто промышленное, гражданское, пригородное, гидротехническое и транспортное строительство (Яванский электрохимический комбинат, Вахшский азотнотуковый завод, г. Калининабад, Яван и др.) определяется тем, что последние испытывают значительные осадки, длительного во времени и чрезвычайно влияющие на целостность насыпи и покрытия автомобильных дорог и их эксплуатационную надежность. Анализ инженерно-геологических свойств лессовых микропористых и водонасыщенных грунтов показывает, что при возведении автодорожных насыпей на таких грунтах необходимы мероприятия улучшающие их строительные свойства. Решению подобных задач должен предшествовать анализ сложившихся естественноисторических условий и их изменений на уже построенных автомобильных дорогах на слабых основаниях, анализ аналогичных случаев и оценке того или иного решения примененного в разрешении поставленной задачи с учетом тех особенностей и условий, которые возникли в том или ином участке строительства автомобильной дороги. При разработке геологического

обоснования проектов автодорожного строительства и проведения других подобного рода исследований, гидрогеологические, инженерно-геологические, прогнозы должны составлять единое целое, как часть прогноза и природной обстановки. На практике обычно приходится сталкиваться с разобщенными, плохо скоординированными прогнозами. Имея общую первопричину - нарушение сложившихся природных условий, главным обзором, вследствие изменения режима влажности - гидрогеологические процессы и геодинамические процессы и явления взаимообуславливают друг друга. Например, от степени оправдывае-мости прогноза режима грунтовых вод на участках полосы отвода зависит точность прогноза просадок и осадок автодорожных насыпей или др. ее разрушений, а так же то, что в большинстве случаев лесс претерпел просадочные и по-слепросадочные процессы, но разрушение насыпей, построенных на таких пе-ретансформировавшихся лессах, все еще продолжаются. Встал вопрос о детальном изучении данного явления, создания необходимых методик и рекомендаций по его прогнозированию и борьбы с данным процессом.

Цель работы. Разработка мер конструктивного и технологического плана по предотвращению развития длительных во времени деформаций дорожных насыпей на лессовых грунтах Республики Таджикистан, связанных с особенностями инфильтрации поверхностных поливных вод и значительному переувлажнению грунтов оснований, способствующих развитию длительных деформаций ползучести лессовых грунтов.

На защиту выносятся:

- результаты физического и математического моделирования процессов увлажнения лессовых оснований дорожных насыпей в условиях поливного земледелия;

- результаты физического и математического моделирования процессов развития во времени осадок насыпи, связанных с вязким их погружением в переувлажненное вязкое квазиоднородное основание;

- аналитическое решение по прогнозу скорости и величины осадок насыпей на вязком переувлажненном основании;

- результаты сравнения данных инженерно-геологических обследований реальных дорожных конструкций и инструментальных наблюдений за их деформациями с результатами теоретических и лабораторных исследований;

- мероприятия по предотвращению возникновения недопустимых деформаций дорожных насыпей, сооружаемых на лессовых грунтах при условии их возможного переувлажнения поверхностными водами техногенного генезиса.

Научная новизна:

- впервые выявлена возможность образования сухого ядра, обладающего изначальными свойствами лессовых природных отложений под телом насыпи при увлажнении лессовых оснований дорожных конструкций земляного полотна;

- выявлены особенности инфильтрации поверхностных вод в лессовую толщу при наличии на ней конструкции земляного полотна и анизотропии фильтрационных свойств лессовых отложений;

- дано аналитическое решение задачи по прогнозу величины скорости. развития осадок во времени;

- получены результаты лабораторных исследований по физическому и математическому моделированию процессов по увлажнению оснований и их вязкому деформированию под весом насыпи.

Практическая ценность:

- разработаны ряд мер, предупреждающих дальнейшее продвижение фильтрационных токов под тело насыпи. Что в свою очередь предотвратит дальнейшее образование вязкопластической массы и не допустит проявления вязкопластической деформации погружения;

- разработана программа, позволяющая моделировать вязкопластическую деформацию тела насыпи в вязкую среду на основе реальных данных реконструируемой или проектируемой автомобильной дороги. Что позволит выбрать наиболее оптимальный вариант конструкции земляного полотна или ряд мер, направленных на обеспечение длительной стабильности автомобильной дороги.

Автор выражает глубокую благодарность коллективу кафедры инженерной геологии и механики грунтов и лично профессору, доктору геолого-минералогических наук Доброву Эдуарду Михайловичу, доценту, кандидату технических наук Емельянову Сергею Николаевичу за оказанную практическую помощь.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Масштаб геодинамических процессов, проявляемых при эксплуатации

автодорог в Таджикистане

Изучение геодинамических процессов и их влияние на условия строительства и эксплуатации проводили многие организации (например, Тбилгипрот-ранс, Союздорпроект, СоюздорНИИ, МАДИ и др.). Накопленный до настоящего времени материал по Геодинамическим процессам, происходящих на территории республики Таджикистан - огромен. В первую очередь речь идет об обвалах, карстах подтоплениях территории, просадках, суфознопластических явлениях, вязкопластичных деформаций. В свою очередь следует, что все эти осложняющие условия накладывают свой отпечаток на проектные решения при строительстве линейных транспортных сооружений, которые в этом плане наиболее уязвимы. Из накопленного опыта при проектировании, строительстве и эксплуатации дорог в районах с активными геодинамическими процессами показывает, что те требования, которые предъявляются нормативными документами к линейно-транспортным сооружениям и типовых решений в ряде случаев оказывается недостаточно для обеспечения устойчивых и надежных транспорт-но-эксплуатационных показателей горных дорог. В настоящее время при технико-экономическом обосновании строительства дорог руководствуются нормативами удельных капиталовложений в строительства автомобильных дорог общего пользования разработанными ГипродорНИИ, и прогрессивными показателями технического уровня производства по Министерству строительства и эксплуатации автомобильных дорог республики Таджикистан на 1986-2000 г.г. Эти документа, к сожалению, не учитывают в полной мере влияния всех этих вышесказанных явлений на автомобильные дороги с учетом затрат при эксплуатации [56]. Существующая на данный момент сеть автомобильных дорог в горной местности республики Таджикистан, состоит в основном из дорог Ш-1У-У технических категорий с фактической интенсивностью намного превышающую допустимую характерно тем, что все они проложены в очень стесненных, сложных условиях рельефа. Насколько были учтены особенности геодинамики республики Таджикистан при проектировании этих дорог, в настоящее время трудно установить. Вместе с тем, огромное количество разрушений, происходящие в

настоящее время на дорогах республики Таджикистан, непосредственно связаны с геодинамическими процессами. Отсюда следует то, что их роль не была достаточно, в полном объеме учтена при проектировании. Для получения некоторой количественной оценки подверженности дорог общего пользования геодинамическим процессам, было произведено визуальное обследование.

Рис. 11. Характер разрушений участка автомобильной дороги Душанбе - Курган-Тюбе

на 57 км

Рис. 1,2. Характер разрушений участка автомобильной дороги Душанбе - Курган-Тюбе

на 59 км+ 300

Обследования, проведенные совместно с работниками нескольких Д.Э.У. позволило провести параллели между причинами и последствиями. По данным; ДЭУ-1 на автомобильной дороге Душанбе-Хорог, только за апрель 1993 года 53-54 км, 60-63 км, 84 км + 300 м, 86 км + 300 м, произошли просадки, принесшие ущерб в сумме 55 миллионов рублей (в ценах 1993 года).

По данным ДЭУ-22, на автомобильной дороге Теппаи-Самарканд, произошли просадки 18.05.1993 Snpoc= П20 м2, 28.12.1993 на 2 + 300 Snpoc= 400 м2, 04.01.1994 на 12 + 160 м Slipoc= 470 м2.

По данным ДЭУ-45 на автомобильной дороге Девак-Рабит-Гульхас, произошли просадки 15.04.1991 Snpoc= 2700 м2. Ущерб составил 126 тыс. рублей (в ценах 1991 г.). На том же участке после реконструкции, через год 26.03.92 - 200 п.м. вновь подверглось просадочным явлениям.

На автомобильной дороге Госдорога Каратаг - просадочные явления произошедшие 19.05.93 г. 100 км принесли ущерб на 2,5 млн. рублей (в ценах 1993г.) ira участке 5 км + 200.

По данным ДЭУ-57, на автомобильной дороге Гумбулок-Янкабед-Шунгури Зулфи на участках:

4 + 600 по 4 + 800 23.03.92 Snp - 2000 м2;

10 4- 00 по 10 + 500 (просадки на трубах) 23.03.92 - 480 м2, глубиной до 1 м;

4 + 600 по 4 + 800 на том же самом участке повторные просадки Snp = 2000 м2 03.03.92 (т.е. через 2 мес. после ремонта);

10 + 00 по 10 + 300 повторные просадки на трубах про�