автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Прогноз ползучести обочин дорожных насыпей и деформаций ограждающих конструкций с учетом в составе грунта обломков скальных пород

На правах рукописи

□03170592

БУЯНХИШИГ Болд

ПРОГНОЗ ПОЛЗУЧЕСТИ ОБОЧИН ДОРОЖНЫХ НАСЫПЕЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ В СОСТАВЕ ГРУНТА ОБЛОМКОВ СКАЛЬНЫХ ПОРОД

(05 23 11— Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 [."

Москва 2008

003170592

Работа выполнена в Московском автомобильно - дорожном институте (государственном техническом университете) на кафедре инженерной геологии и геотехники

Научный руководитель

академик PAT РФ, доктор технических наук, профессор Добров Э М

Официальные оппоненты

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Казарновский В Д, заведующий лабораторией ОАО СОЮЗДОРНИИ,

кандидат технических наук, доцент Музафаров А А, ведущий специалист ООО «Стройрост - 41»

Ведущая организация

ОАО ГИПРОДОРНИИ

Защита диссертации состоится 19 июня 2008 г в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212 126 02 ВАК в Московском автомобильно - дорожном институте (государственном техническом университете)по адресу

125319, Москва, А - 319, Ленинградский проспект, 64, ауд 42

Просьба высылать отзывы в количестве двух экземпляров, заверенные печатью, по указанному адресу Копию отзыва просим прислать по

E-mail uchsovet@madi ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ) Автореферат разослан "16" мая 2008 года

Ученый секретарь диссертационного с Кандидат технических наук, профессо

Борисюк Н В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Практика строительства и эксплуатации автомобильных дорог свидетельствует, что весьма часто дорожные насыпи, параметры которых выходят за пределы типовых конструкций, испытывают во времени недопустимые деформации откосов и обочин Эти деформации приводят, в конечном итоге, к преждевременному разрушению дорожных одежд и существенному увеличению ежегодных финансовых затрат на ремонт и содержание автомобильных дорог Строительство и эксплуатация этих дорог часто ведутся в сложных инженерно - геологических условиях отличающихся наличием в первую очередь оползневых склонов, слабых оснований, грунтов повышенной влажности, высоких насыпей и глубоких выемок и т п В настоящее время многие природные условия и факторы, которые влияют на работу и поведение земляного полотна во времени, могут быть успешно учтены благодаря фундаментальным работам в области дорожного строительства Н Н Иванова, В Ф Бабкова, А Я Тулаева, Н А Пузакова, В И Сиденко, Г М Шахунянца, М Н Гольдштейна, В П Титова, И Е Евгеньева, В Д Казарновского, Э М Доброва, Г С Переселенкова и др

Анализ показывает, что одной из причин неблагоприятного поведения конструкций насыпей является склонность глинистых грунтов, используемых для отсыпки насыпей, к развитию деформаций ползучести, которые проявляются не сразу после завершения строительства, а развиваются во времени постепенно Прогноз интенсивности развития этих деформаций во времени и их своевременный учет при эксплуатации дорожной конструкции могут быть в настоящее время успешно реализованы, но лишь при возможности предварительной оценки физико - механических и особенно реологических свойств грунтов земляного полотна

Однако при строительстве автомобильных дорог в горных условиях для отсыпки насыпей используются, как правило, покровные делювиальные грунты или' грунты, получаемые в результате разработки выемок В том и другом случае грунты часто характеризуются наличием в своем составе значительного (более 10%) количества включений обломков скальных пород, существенно влияющих на их геотехнические свойства Присутствие в грунтах крупнообломочной фракции не только существенно меняет их

свойства и методически осложняет проведение инженерно-геологической оценки их физико - механических свойств в лабораторных и полевых условиях, но и практически полностью исключает возможность использования существующих методик для оценки реологических характеристик и, в первую очередь, динамической вязкости

Раскрытие в диссертации этой важной и актуальной темы позволит более обоснованно подходить к использованию для отсыпки дорожных насыпей крупнообломочных грунтов, исключая возможность развития во времени недопустимых деформаций ползучести их обочин, повышая тем самым их стабильность и безопасность движения автомобильного транспорта

Цель диссертационной работы Разработать методику прогноза развития во времени деформаций ползучести обочин дорожных насыпей, отсыпаемых из грунтов, содержащих в своем составе значительное количество скальных обломков крупнообломочной фракции

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи

обобщить существующую информацию по геотехническим и свойствам глинистых грунтов, используемых для отсыпки дорожных насыпей, в том числе и содержащих крупнообломочную фракцию,

выполнить анализ известных методов расчета устойчивости откосов земляного полотна автомобильных дорог и применяемым методам оценки реологических характеристик грунтов,

разработать теоретические основы методики оценки реологических характеристик глинистых грунтов, содержащих крупнообломочную фракцию, и научно обосновать требования к параметрам и методике их определения,

реализовать практически предложенную методику для получения результатов экспериментальных исследований реологических свойств грунтов, содержащих в том или ином количестве крупнообломочную фракцию, и выявления их особенностей,

установить количественную взаимосвязь между деформациями ползучести элементов обочин дорожных насыпей и ограждающими конструкциями,

установить минимально допустимые величины динамической вязкости исследуемых глинистых грунтов, исходя из допустимых деформаций ограждающих конструкций, категории автомобильной дороги, капитальности покрытия и межремонтных сроков их службы

Научная новизна

Теоретически обоснована и практически реализована новая методика оценки динамической вязкости грунтов, содержащих более 10 % крупнообломочной фракции,

экспериментально выявлена степень влияния крупнообломочной фракции на компрессионные и реологические характеристики грунта, теоретически выявлены особенности развития во времени деформаций ползучести обочин дорожных насыпей с учетом крутизны ее откосов,

установлены минимально допустимые величины динамической вязкости грунтов, содержащих крупнообломочную фракцию, с учетом категории дороги, уровня капитальности покрытий и предельно допустимых деформаций ограждающих конструкций,

для практического мониторинга поведения конструкций дорожных насыпей и своевременного принятия превентивных мер по увеличению их стабильности в эксплуатационный период рекомендованы максимально допустимые скорости осадок бровок откосов, также учитывающих категорию дороги, уровень капитальности покрытий и величину предельно допустимых деформаций ограждающих конструкций,

Практическая ценность работы состоит в разработке научно обоснованной методики определения реологических характеристик грунтов, содержащих крупнообломочную фракцию в своем составе, и выявлении минимально допустимых значений динамической вязкости грунтов, исходя из условий обеспечения безопасной работы ограждающих конструкций в межремонтные сроки службы покрытий автомобильных дорог

На защиту выносятся

новая методика оценки динамической вязкости грунтов, содержащих более 10 % крупнообломочной фракции, ее теоретическое обоснование и практическая реализация,

результаты экспериментальных исследований по выявлению степени и характера влияния крупнообломочной фракции на компрессионные и реологические характеристики грунта,

результаты теоретического анализа особенностей развития во времени деформаций ползучести обочин дорожных насыпей с учетом крутизны их откосов,

обоснование рекомендаций по использованию в практике дорожного строительства минимально допустимых величин динамической вязкости грунтов, содержащих крупнообломочную фракцию, с учетом категории дороги, уровня капитальности покрытий и предельно допустимых деформаций ограждающих конструкций,

обоснование рекомендаций по использованию в практике дорожного строительства значения максимально допустимых скоростей осадок бровок откосов для практического мониторинга поведения конструкций дорожных насыпей и своевременного принятия превентивных мер по увеличению их стабильности в эксплуатационный период

Апробация работы и публикации

Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором на научно- методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ) - 2006 - 2008, и по материалам диссертации опубликованы 3 печатные работы

Объем работы Диссертация состоит из введения, 4 глав и общих выводов Основной текст диссертации содержит 153 стр печатного текста, 47 рисунков и 10 таблиц Библиография состоит из 37 наименований использованных литературных источников

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение Содержит обоснование актуальности темы диссертации, сформулирована ее цель, научная новизна и практическая значимость

Первая глава диссертации содержит анализ опыта строительства и эксплуатации земляного полотна автомобильных дорог в сложных инженерно - геологических условиях Отмечено, что при строительстве автомобильных дорог в условиях, отличающихся значительной пересеченностью рельефа местности, наличием крутых и часто оползневых природных склонов, земляное полотно по своим конструктивным параметрам не вписывается в рамки типового проектирования и характеризуется значительной (более 12 м) высотой насыпей и глубиной выемок, наличием различных удерживающих сооружений Столь сложные инженерно-геологические условия строительства автомобильных дорог приводят к весьма частым отказам, связанным с нарушением устойчивости земляного полотна и разрушениями дорожных одежд, водоотводных, удерживающих и ограждающих конструкций

В условиях, когда трасса характеризуется наличием последовательно чередующихся конструкций насыпей и выемок, в качестве основного строительного материала для отсыпки насыпей обычно используются покровные делювиальные грунты совместно с грунтом, полученным при разработке скальных или полускальных выемок В этом случае на физико - механические характеристики грунтов значительное влияние оказывает наличие в их составе крупнообломочной фракции, которая, с одной стороны, увеличивает их сдвиговые характеристики (угол трения и сцепления), а с другой-повышает водопроницаемость и снижает тем самым сопротивляемость грунта противостоять его дополнительному увлажнению за счет инфильтрации атмосферных осадков в период эксплуатации дорожной конструкции

Тем не менее использование этих грунтов в конструкциях земляного полотна еще не гарантирует их стабильность во времени Часто и в этом случае, как показывает опыт эксплуатации автомобильных дорог Кавказа, Крыма, Таджикистана и других подобных регионов, дорожные конструкции подвергаются влиянию оползневых процессов

Анализ показывает, что наиболее щадящей формой оползневых

проявлений на автомобильных дорогах в этих условиях является форма, при которой происходит постепенная, растянутая во времени деформация опускания бровки откоса насыпей и искривление профиля обочин с нарастанием их поперечного уклона Данное явление приводит к постепенному опусканию столбиков ограждающих конструкций, их высотному искажению и, в конечном счете, к потере ограждающей конструкции выполнять свою главную функцию предотвратить возможный съезд автомобиля с насыпи Однако недопустимое снижение высоты ограждения из- за опускания обочины насыпи существенным образом снижает безопасность движения за счет увеличения вероятности переворота транспортного средства через ограждающую конструкцию

Характер развития подобных деформаций дает основание полагать, что основной причиной подобного поведения дорожной конструкции является проявление во времени реологических свойств грунтов В связи с этим в данной главе были проанализированы существующие подходы к оценке прочностных и реологических свойств глинистых грунтов, а также и существующие методы оценки устойчивости откосов Особое внимание было уделено анализу методов, которые позволяют осуществить прогноз развития во времени деформаций ползучести конструкций земляного полотна Этот анализ показал, что для практической реализации предлагаемых методик необходимо знание величин динамической вязкости грунтов В этой связи нами были рассмотрены существующие методы оценки динамической вязкости глинистых грунтов и возможность их применения для грунтов, содержащих крупнообломочную фракцию

Наш анализ показал, что такие известные методики, как длительный сдвиг или метод "шарика", не могут быть использованы по причине наличия в грунте в большом количестве скальных обломков Существующую иногда практику, когда вязкие свойства определяют только на тонкодисперсной части грунта, отделяя скальные обломки, по нашему мнению, нельзя считать обоснованной, и ее можно распространить только на грунты, которые содержат не более 10 % крупнообломочной фракции

В этой связи была сформулирована цель диссертационной работы и основные задачи ее достижения

Вторая глава посвящена разработке теоретических основ методики оценки динамической вязкости крупнообломочных грунтов Прежде всего в этой главе выполнен подробный анализ современных представлений о реологических моделях физических тел и глинистых грунтов При этом отмечается, что в теории прогноза линейного деформирования во времени различных физических тел и глинистых грунтов в том числе, при воздействии на них касательных или нормальных напряжений от внешней нагрузки широкое распространение получил метод модельного отображения проявления реальных реологических свойств тел, исходящий из представления, что эти свойства определяются сочетанием упругих, вязких и пластических элементов

Сочетая эти элементы в самых различных комбинациях, можно получить более сложную механическую модель, которая в большей или меньшей степени будет отвечать поведению реального физического тела, что, несомненно, способствовало широкому использованию механических моделей при решении тех или иных практических инженерных задач

С учетом трудностей относительно невозможности проведения длительных испытаний на сдвиг образцов грунта, содержащего крупнообломочные скальные частицы, нам представлялось, что более перспективной является идея ускоренного испытания образцов грунта цилиндрической формы в условиях их одноосного сжатия на динамометрическом приборе Принципиальная схема таких испытаний была ранее рекомендована С С Вяловым для определения длительной прочности глинистых грунтов

В соответствии с этой схемой, после создания на динамометре с помощью винтового пресса начального вертикального напряжения сг его положение фиксируется и базовая величина, равная сумме

высоты сжатого динамометра (пружина) и высоты образца, остается неизменной на весь период проведения испытания Это условие является необходимым для реализации процесса релаксации напряжений в строгом виде Под воздействием приложенного напряжения о"0 в образце начинают развиваться деформации

ползучести, которые будут приводить к разжатию пружины динамометра и падению напряжения сг на образец грунта во

времени Этот процесс в свою очередь автоматически вызовет

снижение скорости ползучести грунта и тд Поскольку процесс релаксации напряжений протекает значительно быстрее процесса ползучести, то на испытания грунта в условиях динамометрической схемы нагружения требуется значительно меньше времени, чем на обычные испытания

Привлекательность данной методики для проведения реологических исследований для грунтов, содержащих значительное количество крупнообломочной (>2 мм) фракции, заключается в том, что ее присутствие не мешает как процессу предварительного формирования образца цилиндрической формы для испытаний, который может иметь в принципе любые размеры (диаметр и высоту), так и процессу испытания, реализуемому в условиях одноосного сжатия

Далее, во второй главе был рассмотрен вывод уравнения состояния системы, отвечающей условиям динамометрического испытания грунта Эта система состоит из двух основных блоков пружины динамометра, являющегося упругим элементом тела Гука, и образца грунта, реологическая модель которого может быть в общем случае различной Применительно к глинистым грунтам, которые содержат крупнообломочную фракцию в количестве >10 %, предполагалось, что начальное напряжение <т0 к моменту

завершения процесса релаксации не снизится до нуля, а примет конечное значение <т1 Тогда в схеме динамометрического прибора

испытуемый грунт отвечает поведению вязкопластичной модели, состоящей из двух параллельно соединенных тел- пластичного тела Сен- Венана и вязкого тела Ньютона В этом случае представлялось вполне очевидным, что последовательное соединение этих элементов (образец грунта) еще и с упругим элементом в виде пружины динамометра переводит всю систему в общую реологическую модель типа Бингама - Шведова

При постоянной деформации этого тела в условиях одноосного сжатия начальным напряжением о"0 уравнение релаксации имеет

следующий вид

V г у

где т - - время (период) релаксации, а Е - известный модуль

' Е

упругости пружины динамометра Период релаксации Т

определяется по экспериментальной кривой релаксации и соответствует моменту времени, когда разница между начальным и конечным напряжениями (а -сх^) уменьшается в "е" раз, те в 2,7

раза

Выполненный нами анализ показал, что для практического использования данной схемы испытания грунтов необходимо так подобрать жесткость пружины динамометра, чтобы возможные абсолютные деформации динамометра в связи с релаксацией его напряжений за счет деформации образца грунта оказывались больше возможных абсолютных деформаций А/г последнего В противном случае, т е если жесткость динамометрической пружины велика, то вне зависимости от вида грунта будет достаточно очень небольшой вертикальной деформации Д/г образца, и напряжения на динамометре о"0 уменьшатся до нуля

Третья глава диссертации содержит результаты экспериментальных исследований Исследования по изучению динамической вязкости глинистых грунтов, содержащих более 10 % крупнообломочных (> 2мм) частиц, проводились на специальном приборе (рис1), состоящем из 10 вертикальных винтовых динамометрических прессов Каждый винтовой пресс (1) позволяет через шарик и круглый штамп (2) передать вертикальную начальную нагрузку (напряжение О"0) на образец грунта (3) Образец грунта в

свою очередь помещается на основание (4), которое опирается на динамометрическую пружину (5), укрепленную на базе (6) Замер начальных деформаций сжатия динамометрической пружины (а, следовательно и напряжений <т0) и деформаций образца грунта

осуществляется с помощью мессуры (7) Образцы грунта для исследований приготовлялись следующим образом В качестве базового грунта был выбран суглинистый грунт со следующими характеристиками Суммарное содержание частиц песчаных- 55,0%, пылеватых- 32,8 %, глинистых-13,6 % Граница раскатки- \Л/Р=19 9 %, граница текучести - \Л/|_=34 5 %, число пластичности 1р=14 6 %

Рис.1. Динамометрический прибор одноосного сжатия

Грунт доводился до границы текучести и далее смешивался с гранитной дресвой (фракция 2...10 мм) в следующих пропорциях: 10; 20; 30 %. Затем полученные смеси загружались в цилиндры уплотняющего прибора и на них давалась нагрузка предварительного уплотнения, равная 0,05 МПа. После завершения процессов предварительного статического уплотнения во времени (консолидации) образцы помещались в динамометрический прибор. Для предотвращения подсыхания грунтовых образцов они заключались в полиэтиленовые пакеты.

В целях уточнения степени влияния крупнообломочной фракции на компрессионные свойства и конечное состояние испытуемых образцов грунта, особенно в части результирующей влажности тонкодисперсной (менее 2 мм) его составляющей, нами параллельно были проведены исследования и компрессионных их свойств. Результаты этих исследований представлены в форме зависимостей компрессионного модуля осадки ер [мм/м] от уплотняющей нагрузки на графике рис. 2.

Уплотняющая нагрузка, МПа

Рис 2 Компрессионные кривые при различном содержании фракции >2 мм (2 10 мм)

Его анализ показывает, что увеличение содержания крупнообломочной фракции сверх 10 % оказывает существенное влияние на величину компрессионной характеристики, а следовательно, и на сжимаемость грунта Это влияние возрастает по мере увеличения процентного содержания крупнообломочной фракции и выражается в первую очередь в снижении сжимаемости грунта и возможности его необратимо уплотняться под воздействием постоянной статической нагрузки Примечательно, что при наличии обломочных включений до 10 % компрессионные свойства грунта остаются неизменными, но они начинают изменяться, если количество этих включений увеличивается Это обстоятельство в свою очередь означает, что по мере возрастания процентного содержания в грунте крупнообломочной фракции сверх 10 % конечная влажность его мелкодисперсной части должна неизбежно возрастать при той или иной постоянной уплотняющей нагрузке

В самом деле, как показало их взвешивание, при содержании щебня до 10 % образцы потеряли в среднем 12 % влаги, а при 30 % содержании фракции 2 10 мм, эта потеря составила только 8,5 % Если принять потерю влаги при содержании фракции 2 10 мм за 100 %, то относительная потеря влаги при наличии щебня 20 и 30 % составила соответственно 20,8 и 29,2 %, те прослеживается

обратная зависимость способности грунта отдавать воду при уплотнении с увеличением содержания в его составе крупнообломочной фракции

Рис 3 Характер релаксации вертикальных напряжений а, и рост деформаций образца во времени при содержании фракции 2 10 мм 20 %

В процессе исследований производились наблюдения за деформациями образцов и соответствующими им деформациями динамометрических пружин Один из характерных результатов этих исследований представлен на рис 3, где даны кривые, описывающие релаксацию вертикальных напряжений, приложенных на образец грунта, и соответствующий характер деформирования этих образцов

Анализ релаксационных кривых подобного вида (рис 3), в частности, показал, что при любом содержании в образцах грунта крупнообломочной фракции 2 10 мм установившиеся напряжения в динамометрах не уменьшаются до нуля, а принимают некоторые конечные значения, величина которых возрастает по мере увеличения содержания в грунте крупнообломочной фракции 2 10мм Если в исследуемом грунте содержится только 10 % крупнообломочной фракции, то наличие остаточных, нерелаксируемых напряжений, можно объяснить только набранной прочностью грунта после его предварительного уплотнения и ощутимой потери влаги

Но по мере возрастания содержания в грунте крупнообломочной фракции 2 10 мм происходит увеличение ее влияния на достижимую конечную влажность грунта при его предварительном

уплотнении, и поэтому увеличение значений остаточных напряжений объясняется наличием все усиливающейся роли скелетного каркаса, который все в большей и большей степени начинает воспринимать внешние напряжения, несмотря на возрастающую влажность мелкодисперсной составляющей грунта

Наличие конечных пороговых значений напряжений <т прежде

всего свидетельствует, что процесс ползучести и соответственно релаксации напряжений применительно к исследуемым образцам грунта происходил лишь в пределах активной части вертикальных напряжений, равных Д<т = сг0—о^ С увеличением содержания

крупнообломочной фракции от 10 до 30 % величина Дсг уменьшается от 3,7 до 1,8 Па Данный результат вполне логичен и свидетельствует о том, что по мере увеличения в грунте содержания прочного скелетного каркаса, представленного фракцией скальных обломков 2 10 мм, резерв развития возможных деформаций ползучести в условиях одноосного сжатия уменьшается в два раза'

Фиксируя далее время уменьшения напряжений Дсг в каждом опыте (см рисЗ) в 2,7 раза, в соответствии с формулой (1) были получены сначала величины периодов релаксации напряжений Тге| , а затем вычислены величины коэффициентов динамической вязкости Г]

На рис 4 представлен результат этих расчетов в виде графика зависимости величины динамической вязкости грунта rj от содержания в грунте крупнообломочной фракции 2 10 мм Хорошо видно, что увеличение в грунте фракции 2 10 мм от 10 до 30 % приводит к возрастанию коэффициента динамической вязкости почти на порядок, те с6 1011 до 1,6 1012 Па с

Четвертая глава посвящена рассмотрению путей использования полученных результатов для практического прогноза длительных деформаций обочин и ограждающих конструкций дорожных насыпей Для изучения особенностей длительного деформирования обочин дорожных насыпей, предварительно используя дифференциальное уравнение в частных производных Э М Доброва, была получена формула, позволяющая определить очертания контура насыпи и возможные деформации ползучести

элементов конструкции насыпи, развивающиеся во времени в период ее эксплуатации

Содержание щебня, %

Рис 4 Характер изменения коэффициента динамической вязкости грунта в зависимости от наличия крупнообломочной фракции (2 10 мм) в %

На рис 5 представлены эпюры деформаций ползучести бровок откосов и обочин насыпи высотой и шириной по верху 15 м, в зависимости от величины фактора времени Анализ этих эпюр показывает, что деформации искажения контура насыпи начинают развиваться от бровки откоса, постепенно захватывая контур обочины

Однако при одном и том же значении параметра величина накопленных деформаций бровки откоса снижается с уменьшением его крутизны Так, при 01=0,4 м2 деформация бровки откоса крутизной 1 1 составляет 36 см, а если откос уполаживается до 1 3 -осадка уменьшается до 12 см Характерно также, что с уположением откоса при одной и той же степени захвата обочин деформациями ползучести величина осадки бровки и общая крутизна деформированной части обочины уменьшаются

К моменту подхода деформаций ползучести к кромке конструкции дорожной одежды сами обочины успевают претерпеть деформации, при которых происходит существенное, сверх допустимого, увеличение поперечного их уклона, а насыпь приобретает серповидный профиль

С>1-0 2м'

ОЮ, б м2

Рис 5 Эпюры деформаций контура обочины насыпи (Н=15 м, Ь= 7,5 м) во времени (крутизна откоса 1 1,5)

Одновременно с искажением профиля обочин происходит нарастание деформаций опускания ограждающих конструкций барьерного типа, которые согласно требованиям норм СНиП 2 05 0285 располагаются на насыпях высотой выше 2 м при крутизне откосов 1 3 и более В соответствии с этим документом столбики ограждающих конструкций барьерного типа устанавливаются на расстоянии не менее 0,5 м от бровки земляного полотна

Именно этот элемент дорожной конструкции, выполняющий роль колесоотбойного механизма и обеспечивающий создание безопасных условий движения автотранспорта, первым начинает реагировать и испытывать на себе деформации ползучести обочины дорожной насыпи Поэтому ранее (Добров Э М, Апестин В К, Горелышев Н В) было предложено ограничить максимально допустимую деформацию опускания столбиков или бруса ограждающих конструкций величиной 5 15 см в зависимости от категории дороги и за период межремонтных сроков службы покрытий 10 - 20 лет, исходя из степени их капитальности

С учетом изложенного нами, используя эпюры деформаций ползучести обочин (рис 5), был осуществлен переход от предельно допускаемых осадок ограждений к предельно допустимым деформациям ползучести бровок откосов Аг0

Развивая этот подход, далее целесообразном установить сначала допустимые значения коэффициента деформируемости Одоп (табл 1), а затем и допустимые минимальные значения коэффициента динамической вязкости грунта насыпи высотой 15 м (табл 2)

В таблицах 1-3 представлены результаты подобных расчетов применительно к крутизне откосов насыпи 1 1,5 как наиболее часто применяемой

Таблица 1

Предельные максимальные величины коэффициента деформируемости ОдОП для насыпей с крутизной откосов 1 1,5 и

различных типов дорожных покрытий (3 = 4£)/)

Категория дороги Параметр б, м2 Максимально допустимый коэффициент дефомируемости ОДОП1 м2/год

усоверш (капитальные) усоверш

жесткие нежесткие облегченные

1 0,75 0,0375 0,050 -

И 1,50 0,0750 0,100 -

III 2,40 0,120 0,160 0,240

Таблица 2

Предельные минимальные величины коэффициента вязкости для ГРУНТ0В насыпей высотой Н=15 м и с крутизной откосов 1 1,5 и различных типов дорожных покрытий (<^ = 4£>0

Категория дороги Параметр Минимально допустимый коэффициент вязкости Г}^ 1011, Пас

усоверш (капитальные) усоверш

жесткие нежесткие облегченные

I 0,75 0,95 0,72 -

II 1,50 0,54 0,36 -

III 2,40 0, 30 ' 0,23 0,15

Полученные нами значения коэффициента вязкости (а 1011-а 1012 Па с) оказываются выше минимальных значений, указанных в табл 2, что свидетельствует о возможности их практического использования

К изложенному можно добавить, что исходя из предельно допустимых величин осадки Д^ бровок откосов насыпей и сроков

межремонтных работ можно оценить максимально допустимые средние скорости деформации бровок откосов, что может быть полезно для мониторинга состояния конструкций в полевых условиях, используя при этом только их периодическую нивелирование Эти данные приведены в табл 3

Таблица 3

Предельные минимальные величины средней скорости осадки бровок насыпей с крутизной откосов 1 1,5 и различных типов

дорожных покрытий

Категория дороги Предельная осадка бровки, см Средняя скорость осадок бровки откоса, см/год

усоверш (капитальные) усоверш

жесткие нежесткие облегченные

1 16 0,80 1,07 -

II 23 1,15 1,53 -

III 29 1,45 1,93 2,90

Из данных табл 3 следует, что средняя скорость деформации обочин насыпей с капитальным типом покрытий не должна быть больше 1 2 см в год, тогда как при облегченном покрытии она может быть увеличена до 3 см в год

Сравнение полученных данных с ранее опубликованными (Добров Э М , Грицюк Л В и др ) результатами полевых наблюдений за деформациями бровок откосов насыпей на ряде участков автомобильных дорог показало, что для шести насыпей высотой от 3 до 10 м деформации ползучести бровок изменялись от 12 см/год до 0,51 см/год, При этом вязкость грунтов варьировала в пределах 0,93 Ю10 0,15 1013 Па с, а накопленная деформация обочин в одном случае (при скорости 12 ' см/год) приводила к разрушению ограждений, а в другом, более благоприятном (0,7 0,5 см/год) деформации ограждений не превышали допустимых величин

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Анализ опыта эксплуатации автомобильных дорог в горных условиях показывает, что весьма часто конструкции насыпей испытывают длительные деформации, которые развиваются во времени постепенно и захватывают бровку откоса, а затем обочину, ограждающие конструкции и края дорожных одежд, что приводит в конечном итоге к их разрушению и снижению безопасности движения автотранспортных средств

2 Одной из причин неудовлетворительной работы земляного полотна в период его эксплуатации является несовершенство существующих методов оценки реологических характеристик грунтов Использование для отсыпки насыпей в этих условиях покровных делювиальных грунтов или грунтов скальных выемок, содержащих значительное (более 10 %) количество крупнообломочного скального материала, практически полностью исключает возможность оценки их реологических характеристик с применением таких распространенных методик, как "длительный сдвиг" или "шариковая проба" из - за существенного влияния на получаемые результаты скальных обломков

3 Невозможность оценки реологических характеристик подобных грунтов и, в первую очередь их динамической вязкости, в свою очередь затрудняет применение в практическом плане существующих теоретических методов прогноза и учета опасности развития во времени подобных деформаций земляного полотна

4 Обобщение накопленного опыта в области изучения прочностных и реологических свойств глинистых грунтов и методик их определения показал, что применительно к оценке динамической вязкости грунтов, в составе которых находится значительное (более 10 %) количество обломков крупнообломочной фракции, в наибольшей степени подходит схема релаксационного деформирования образца грунта в условиях его одноосного динамометрического сжатия, предложенная ранее С С Вяловым применительно к более общему случаю ускоренного изучения особенностей ползучести глинистых грунтов вообще при переменных внешних нагрузках

5 Выполненный нами теоретический анализ показал, что применительно к данной схеме испытания "грунтовый образец плюс пружина динамометра" можно рассматривать как единый

неразрывный комплекс, для характеристики поведения которого во времени может быть применена обобщенная реологическая модель типа Бингама - Шведова, в которой грунт представлен вязкопластическим телом при параллельном соединении элементов сухого трения Сен - Венана и вязкого тела Ньютона Данное допущение позволяет, используя уравнение релаксации напряжений реологической модели Бингама - Шведова, по полученной в опыте величине периода релаксации напряжений Тгй и исходя из известной жесткости пружины, определить искомую динамическую вязкость грунта

При этом жесткость пружины следует назначать исходя из предельно возможных абсолютных деформаций образца грунта в условиях его одноосного допредельного нагружения вертикальной нагрузкой

6 Изучение особенностей компрессионных свойств глинистых грунтов показало, что их компрессионная сжимаемость уменьшается, если содержание крупнообломочной фракции (2 10 мм) превышает 10 % по весу При этом влажность тонкодисперсной его части к моменту завершения процессов компрессионного уплотнения (консолидации)увеличивается

7 Экспериментальные исследования характера релаксации напряжений на динамометрическом приборе показали, что остаточная (пороговая) нерелаксирующая часть напряжений увеличивается, а релаксирующая наоборот, уменьшается с увеличением содержания в грунте частиц крупнообломочной фракции При этом для образцов грунта с нулевым или 10 % - ным содержанием обломков величина остаточных напряжений обусловливается только прочностью тонкодисперсной составляющей, которую она приобрела при предварительном уплотнении При большем содержании обломков величина остаточных напряжений обусловлена все возрастающей ролью скальных обломков, формирующих все более и более жесткий и менее деформируемый скелетный каркас

8 Величина динамической вязкости грунтов при увеличении содержания в гранулометрическом составе крупнообломочной фракции от 10 до 30 % возрастает на порядок, несмотря на возрастание влажности его тонкодисперсной составляющей, что

свидетельствует о превалирующей роли жесткости скелетного каркаса

9 Изучены особенности развития прогнозируемых деформаций ползучести обочин дорожных насыпей, и определены минимальные допускаемые величины динамической вязкости грунтов насыпей, при которых деформация ограждающих конструкций не превышает их допускаемых значений с учетом категории автомобильной дороги, типа покрытия и межремонтного срока его службы

10 Найденные величины динамической вязкости исследуемых грунтов, содержащих крупнообломочную фракцию в количестве 10 30 %, находятся в пределах а 1011 а 1012 Па с, что оказывается не менее допускаемых величин вязкости, свидетельствуя о реальных возможностях разработанной методики динамометрического испытания грунтов

11 Для возможности ориентировочного контроля нивелировкой темпов ползучести обочин в период эксплуатации автомобильной дороги получены значения допустимых величин скоростей ползучести бровок откосов насыпей, учитывающих категорию дороги, капитальность ее покрытия и сроки службы до капитального ремонта

Основные положения диссертационной работы опубликованы в следующих работах

1 Реологические характеристики делювиальных грунтов в дорожном строительстве // Автомобильные дороги в Монголии 2007 - №3 - С 22 - 24

2 Оценка реологических характеристик делювиальных грунтов II Наука и техника в дорожной отрасли - 2008 - №1 - С 29 - 30

3 Прогноз ползучести обочин дорожных насыпей из крупнообломочных грунтов II Транспортное строительство - 2008 -№5 - С 26 - 27

Заказ № 3459 Подписано в печать 15 05 2008 Тираж 100 экз Уел п л

ООО "Цифровичок", тел (495) 797-75-75, (495) 778-22-22 уууууу с/т ги, е-тай /п/о@с/гл7

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследовании.

1.1 Анализ поведения дорожных насыпей и ограждающих конструкций в сложных инженерно- геологических условиях.

1.2. Прочностные'и реологические свойства связных грунтов.

1.2.1. Сопротивляемость сдвигу.

1.2.2. Ползучесть грунтов при сдвиге.

1.3. Существующие методы оценки устойчивости откосов. Учет ползучести грунтов при прогнозе деформаций обочин насыпей во времени.

1.4. Прогноз устойчивости откосов и деформаций обочин насыпей во времени.

1.5.Существующие методы определения коэффициента динамической вязкости глинистых грунтов.

1.6. Геотехнические особенности глинистых грунтов, содержащих крупнообломочную фракцию.

1.6.1 .Классификация грунтов

1.6.2.Особенности геотехнических свойств.

1.6.3. Задачи исследований.

Глава 2. 2. Теоретические основы методики оценки динамической вязкости грунтов, содержащих крупнообломочную фракцию.

2.1. Реологические модели физических тел и глинистых грунтов.

2.2. Особенности динамометрического метода одноосного сжатия образцов грунта.

2.3.Обобщенная реологическая модель динамометрической схемы испытания грунта в условиях одноосного сжатия и требования к применяемой аппаратуре.

Глава 3. Результаты экспериментальных исследовании.

3.1. Аппаратура, характеристика грунтов и методика их исследования

3.2. Кривые релаксации, влияние влажности и заполнителей на реологические свойства.

Глава 4. Использование полученных результатов для практического прогноза длительных деформаций обочин и ограждающих конструкций дорожных насыпей.

4.1 .Особенности ползучести обочин насыпей.

4.2.Взаимосвязь ползучести обочины насыпи и деформации ограждающей конструкции. Допустимые деформации обочин насыпей.

Актуальность темы. Практика строительства и эксплуатации автомобильных дорог свидетельствует, что весьма часто дорожные насыпи, параметры которых выходят за пределы типовых конструкций, испытывают во времени недопустимые деформации; которые приводят в конечном итоге к преждевременному разрушению дорожных одежд и существенному увеличению ежегодных финансовых затрат на ремонт и содержание автомобильных дорогах, строительство и эксплуатация которых часто ведется в сложных инженерно - геологических условиях отличающихся наличием-в первую очередь оползневых склонов, слабых оснований, грунтов повышенной влажности, высоких насыпей и глубоких выемок и т. п.

Анализ показывает, что одной из причин неблагоприятного поведения конструкций насыпей является склонность глинистых грунтов, используемых для отсыпки насыпей, к развитию деформаций ползучести, которые проявляются не сразу после завершения строительства, а развиваются во времени постепенно. Прогноз интенсивности развития этих деформаций во времени и их своевременный учет при эксплуатации дорожной конструкции может быть в настоящее время успешно реализован, но лишь при возможности предварительной оценки физико -механических и, особенно, реологических свойств грунтов земляного полотна.

Однако, при строительстве автомобильных дорог в горных условиях для отсыпки насыпей используются, как правило, покровные делювиальные грунты или грунты, получаемые в результате разработки выемок. В том и другом случае грунты часто характеризуются наличием в своем составе значительного количества включений обломков скальных пород, существенно влияющих на их геотехнические свойства. Присутствие в грунтах крупнообломочной фракции не только существенно меняет их свойства и технически осложняет проведение инженерно - геологической оценки их физико - механических свойств в лабораторных условиях, но и практически полностью исключает возможность использования существующих методик для оценки реологических их характеристик, и в первую очередь динамической вязкости.

В этой связи, с учетом ранее выполненных исследований в области прогноза деформаций ползучести земляного полотна, оценки их реологических свойств и особенностей поведения крупнообломочных грунтов, представлялось целесообразным в рамках данной диссертационной работы, разработать методику оценки динамической вязкости глинистых грунтов, содержащих в своем составе крупнообломочную фракцию, изучить особенности развития во времени деформаций сдвиговой ползучести обочин дорожных насыпей и определить допустимые величины динамической вязкости, исходя из категории автомобильной дороги, типов покрытий и межремонтных сроков их службы.

Научная новизна работы. Диссертация развивает положения научных исследований, относящихся к области изучения процессов длительной деформируемости конструкций дорожных насыпей во времени за счет сдвиговой ползучести глинистых грунтов.

В диссертации, применительно к прогнозу ползучести обочин дорожных насыпей, впервые:

1. теоретически обоснована и практически реализована методика оценки динамической вязкости грунтов, содержащих более 10% крупнообломочной фракции;

2. экспериментально выявлена степень влияния на (период релаксации) реологические характеристики;

3. установлены особенности развития во времени деформаций ползучести обочин дорожных насыпей с учетом крутизны ее откосов;

4. установлена взаимосвязь величины динамической вязкости грунтов, категории дороги, уровня капитальности покрытий и предельно допустимых деформаций ограждающих конструкций.

Достоверность научных положений, выводы и рекомендаций обоснована:

- теоретическим анализом особенностей предлагаемой методики оценки реологических свойств грунтов и условий ее применения;

- результатами экспериментальных исследований грунтов в условиях их испытаний на релаксацию;

- теоретическим анализом характера развития деформаций ползучести обочин и ограждающих конструкций и результатами прогноза деформаций ползучести реального объекта на автомобильной дороге

Практическая ценность работы. 1. Разработана упрощенная экспериментальная методика определения динамической вязкости глинистых грунтов, содержащих в своем составе крупнообломочную фракцию.

2. Предложена методика определения сроков ремонта ограждающих конструкций

Апробации работы. Отдельные фрагменты диссертации были доложены автором на научно - исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ) в 2005 - 2008 г.г.

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка использованной литературы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ опыта эксплуатации автомобильных дорог в горных условиях показывает, что весьма часто конструкции насыпей испытывают длительные деформации, которые развиваются во времени постепенно и захватывают бровку откоса, а затем обочину, ограждающие конструкции и края-дорожных одежд, что приводит в конечном.итоге к их разрушению и снижению безопасности движения-автотранспортных средств.

2. Одной из причин неудовлетворительной работы-земляного полотна в период его. эксплуатации является несовершенство существующих методов оценки реологических характеристик грунтов. Использование для отсыпки насыпей в этих условиях покровных делювиальных грунтов или грунтов скальных выемок, содержащих значительное (более 10 %) количество крупнообломочного скального материала, практически полностью, исключает возможность оценки их реологических характеристик с применением таких распространенных методик, как "длительный сдвиг" или "шариковая проба" из - за существенного влияния на получаемые результаты скальных обломков.

3. Невозможность оценки реологических характеристик подобных грунтов и, в первую очередь их динамической вязкости, в свою очередь затрудняет применение в практическом плане существующих теоретических методов прогноза и учета опасности развития во времени подобных деформаций земляного полотна.

4. Обобщение накопленного опыта в. области изучения прочностных и реологических свойств- глинистых грунтов и методик их определения показал, что применительно к оценке' динамической вязкости грунтов, в составе которых находится- значительное (более 10 %) количество обломков крупнообломочной фракции, в наибольшей степени1 подходит схема релаксационного деформирования образца грунта в условиях его одноосного динамометрического сжатия, предложенная ранее С.С. Вяловым применительно к более общему случаю ускоренного изучения особенностей ползучести глинистых грунтов вообще при переменных внешних нагрузках.

5. Выполненный нами теоретический анализ показал, что применительно к данной схеме испытания "грунтовый образец плюс пружина динамометра" можно* рассматривать как единый неразрывный комплекс, для характеристики поведения которого во времени может быть применена обобщенная реологическая модель типа Бингама - Шведова, в которой грунт представлен вязкопластическим телом при параллельном соединении элементов сухого трения Сен - Венана и вязкого тела Ньютона. Данное допущение позволяет, используя уравнение релаксации напряжений реологической модели Бингама - Шведова, по полученной в опыте величине периода релаксации напряжений Trei и исходя из известной жесткости-пружины, определить искомую динамическую вязкость грунта.

При этом жесткость пружины следует назначать исходя из предельно возможных абсолютных деформаций образца1 грунта в условиях его одноосного допредельного нагружения вертикальной нагрузкой.

6. Изучение особенностей компрессионных свойств глинистых грунтов показало, что их компрессионная сжимаемость уменьшается, если содержание крупнообломочной фракции (2. 10 мм) превышает 10 % по весу. При этом влажность тонкодисперсной его части к моменту завершения процессов компрессионного уплотнения (консолидации) увеличивается.

7. Экспериментальные исследования характера релаксации напряжений на динамометрическом приборе показали, что остаточная (пороговая)» нерелаксирующая часть напряжений увеличивается, а релаксирующая наоборот, уменьшается с увеличением содержания в грунте частиц крупнообломочной фракции. При этом для образцов грунта с нулевым или 10 % - ным содержанием обломков величина остаточных напряжений обусловливается только прочностью тонкодисперсной составляющей, которую она приобрела при предварительном уплотнении.

При большем содержании обломков величина остаточных напряжений обусловлена все возрастающей ролью скальных обломков, формирующих все более и более жесткий и менее деформируемый скелетный каркас.

8. Величина динамической вязкости грунтов при увеличении содержания в гранулометрическом составе крупнообломочной фракции от 10 до 30 % возрастает на порядок, несмотря на возрастание влажности его тонкодисперсной составляющей, что свидетельствует о превалирующей роли жесткости скелетного каркаса.

9. Изучены особенности развития прогнозируемых деформаций ползучести обочин дорожных насыпей, и определены минимальные допускаемые величины динамической вязкости грунтов насыпей, при которых деформация ограждающих конструкций не превышает их допускаемых значений с учетом категории автомобильной дороги, типа покрытия и межремонтного срока его службы .

10. Найденные величины динамической вязкости исследуемых грунтов; содержащих крупнообломочную фракцию в количестве 10.30 %, находятся в пределах а-10п.а-1012 Па-с, что оказывается не менее допускаемых величин вязкости, свидетельствуя о реальных возможностях разработанной методики динамометрического испытания грунтов.

Для возможности ориентировочного контроля нивелировкой темпов ползучести обочин в период эксплуатации автомобильной дороги получены значения допустимых величин скоростей ползучести бровок откосов насыпей, учитывающих категорию дороги, капитальность ее покрытия и сроки службы до капитального ремонта.

1. Андреев Г.А. Златоверховников Л.Ф., Карпов В.М. К вопросу оценки длительной деформации основания портовой набережной. Труды ВНИИГ, вып. 38, Л., "Энергия", 1968, с. 262 - 269.

2. Браславский В.Д. Роль сцепления глинистых грунтов в степени устойчивости склонов и откосов. Автореферат диссертации. М., 1975, 33с.

3. Вялов С.С. Реологические основы механика грунтов. М. Высшая школа. 1978, 447 с.

4. Гинзбург Л.К. Удерживающие свайные конструкции при строительстве на оползневых склонах. Материалы III Всесоюзного совещания. Киев, "Будивельник", 1971, с. 361- 363.

5. Гинзбург Л.К. Рекомендации по выбору методов расчета коэффициента устойчивости склона и оползневого давления. М., ЦБНТИ, 1986, 123с.

6. Гольдштейн М.Н., Тер Степанян Г.И. Длительная прочность глин и глубинная ползучесть склонов. Материалы к IV Международному конгрессу по механике грунтов и фундаментостроению. М., Изд-во АН СССР, 1957, с.43-52.

7. Добров Э.М. К оценке напряженного состояния откосов и склонов. Сб. Трудов "СоюздорНИИ", вып. 24, Балашиха, Изд. СоюздорНИИ, 1968, с. 75 85.

8. Добров Э.М., Семендяев Л.И., Хоружий Э.Ф. и др. Определение напряжений в земляных массивах сложного контура для оценки устойчивости насыпей на косогорах. Труды СоюздорНИИ, вып. 54, М., Изд. СоюздорНИИ, 1971, с.5 53.

9. Добров Э.М. Крупнообломочные грунты в дорожном строительстве. М., "Транспорт", 1981, 180 с.

10. Дубелир Г.Д., Корнеев Б.Г. Возведение земляного полотна в районах оползней и осыпей. М., "Дориздат", 1948, 341с.

11. Казарновский В.Д. Учет сопротивляемости грунтов сдвигу при проектировании дорожных конструкций. М., Автотрансиздат, 1962, 36 с.

12. Клейн Г.К. Строительная механика сыпучих тел. М., Госстройиздат, 1956, 252 с.

13. Кандауров ИИ. Механика зернистых сред и ее применение в строительстве. JL -М., Стройиздат, 1966, 319с; 1988, 280 с.

14. Караулова З.М. Порог ползучести и коэффициент вязкости глинистых грунтов. Труды ВНИИГ, вып. 38. Л., "Энергия", 1968, с. 120-130

15. Канан В.А. Влияние касательных напряжений на степень динамической устойчивости водонасыщенных песков толщи откосов земляных сооружений. Автореферат диссертации. М., Изд. МАДИ, 1969, 29 с.

16. Маслов Н.Н. Условия устойчивости склонов и откосов в гидротехническом строительстве. М., Госэнергоиздат, 1965, 467 с.

17. Муллер Р.А. К статической теории распределения напряжений в зернистом грунтовом основании. "Основания, фундаменты и механика грунтов", 1962, № 4, с. 4 - 6.

18. Мурояма С., Шибота Т. Реологические свойства глин. Тр. V Межд. Конгр. по мех. грунтов. М. Стройиздат 1966, с. 85 96.

19. Караулова З.М. Порог ползучести и коэффициент вязкости глинистых грунтов. Труды ВНИИГ, вып. 38. Л., "Энергия", 1968, с.120-130.

20. Покровский Г.И. Центробежное моделирование. М., ОНТИ, 1935, 54с.

21. Покровский Т.Н. Исследования по физике грунтов. М.,- Л., ОНТИ, 1937, 135 с.

22. Радовский Б.С. Напряженное состояние нежестких дорожных одежд с промежуточными слоями из слабосвязанных зернистых материалов. Автореферат диссертации. Харьков, Изд. ХАДИ, 1966, 53 с.

23. Рогозина З.И. Роль грунтовых вод в развитии оползневых явлений на береговых склонах. Автореферат диссертации. М., Изд. МАДИ, 1971, 29 с.

24. Рогозина З.И. Методы "горизонтальных сил" и "наклонных сил" в свете оценки степени устойчивости реальных оползневых склонов. Труды СоюздорНИИ, вып. 74. М., Изд. СоюздорНИИ, 1974, с 23-33.

25. Соколовский В.В. Статика сыпучей среды. М., Изд. АН СССР, 1942, 208 с.

26. Тер Степанян Г.И. О механизме многоярусных оползней.

27. Шахунянц Г.М. Железнодорожный путь. М., Трансжелдориздат, 1961,615 с.

28. Маслов Н.Н. Длительная устойчивость и деформация смещения подпорных сооружений. М., "Энергия", 1968, 160 с.

29. Шукле Л. Реологические проблемы механике грунтов. Перевод с англ. Н.Н.Маслова. М., Стройиздат, 1973, 485 с.

30. Frohlich O.K. On the danger of sliding of the upstream embankment of earth dam caused by complete or partial discharge of the reservoir. Trans. 4th Cong. Large dam 1951, pp. 59-63.

31. Frohlich O.K. General theory of stability of slopes. Geotechnique, v.5, N.l, 1955,pp. 37-48.

32. Rendulic L., Ein Beitrag sur Bestimmung der Gleitsicherheit. Bauingeneiur, v. 16, May, 1935, pp. 230 233.

33. Taylor D. Stability of Earth of Earth Slopes. Journal of the Boston Society of Civil Eng. N. 1937, v.24, N.3 pp.197 246.