автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Прогноз деформаций консолидации высоких насыпей автомобильных дорог из глинистых грунтов с влажностью выше оптимальной

НЙШСТЕРС1В0 ТРАНСПОРТНОГО СТРОИТЕЛЬСТВА СССР Г0С7Д\РСГВШ«Й ВСЕСОЮЗНЫЙ ЛОГОШЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОМТШЖ? ШСГИГ/Г (ООГОДОРИШ)

На правах рукописи

СКЛЯДН5ВА Ирана Игоревна

УДК 625.731.4:624.131.331.3: 624.136.526

прогноз дезоршщдо ншоолвд&ции

высоких насыпей абтошбишшх дорог

ИЗ ГДШЙСГПЯ ГОНТОЗ С ВЛШЮСГЬЕ'ВШЕ ОПТИШЬНОЙ

(05.23.11 - Строительство автомобильных дорог и аэродромов)

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЯОСШ 1991

С/ с': /?,О

Работа выполнена в Государственном всесоюзном до ройном научно-исследовательской институте (Союэдорнии) Микгрешсстроя СССР.

Научный руководитель - кандидат технических наук, старший

научный сотрудник Э.К.Кузахыетова

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший

научный сотрудник В.Н. йромко

кандидат технических наук,доцент В.И.Шкицкнй

Ведущая организация - ГШ Союздорпроект Ыинтрансстроя СССР.

Защита состоится "20 « ноября 1991 г. в II час на заседании специализированного совета К 133.02.01 ВАК СССР при Государственном всесоюзном дородном научно-исследовательскоу институте (Союздорнии) по адресу: Московская область,Балашиха-б, шоссе Энтузиастов, 79, актовый зал Союздоршш.

С диссертацией ложно ознакомиться в библиотеке института.

Просим приянть участие в работе совета или направить отзыв в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, по адресу: 143900, г.Балавиха - 6, Московской области, Союэдорнии, ученый совет.

Справки по телефону 521-22-38.

Автореферат разослан " п ^ " Ок^ПгЛ-З/оЗс. Х991 г.

Ученый секретарь специализированного совета К 133.02.01 ВАК СССР при Союэдорнии кандидат технических наук,

старший научный сотрудник Б.и.щрвдев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Обеспечение рентабельности хозяйства страны невозможно без выполнения обширной программы дорожного строительства. Реализация этой задачи в последние годы связана с расширением географии строительства при одновременном существенном увеличении объемов работ. Это обуславливает необходимость поиска нетрадиционных решений н способов строительства. В частности, по мере продвижения, на Север страны, для возведения земляного полотна строители все чаще вынуждены применять глинистые грунты, влажность которых выше оптимальной. Достижение требуемой нормами (СНиИ 2.05.02-85) плотности грунта земляного полотка в этом случае связано с дополнительными (иногда весьма существенными ) энергозатратами, а зачастую «ообще невозможно, даже с применением современных уплотнящих средств.

Практика использования глинистых грунтов с влажностью выше оптимальной для верхней части земляного полотна пока дает только одно решение - осушение грунтов и укрепление их различными добавками. Использование же глинистых грунтов с влажностью более оптимальной в нижних частях насыпей, хотя на,момент строительства и противоречит нормам плотности, но для высоких насыпей отвергаться не должно, поскольку, в принципе, возможно их доуплот-нение путем консолидации, т.е. под нагрузкой от веса вышележащих слоев насыпи. Расчет такой конструкции относится к случав индивидуального проектирования. Крупными объектами, на которых в насыпи предусмотрено использование глинистых грунтов с влгдностью выше оптимальной, являются автомобильные дороги Москва-Симферополь, Москва-Волгоград и ряд других. Протяженность участков с высокими насыпями составляет до 1/3 от длины трассы.

Для высоких насыпей использование местных глинистых грунтов более актуально, так как их строительство требует большого объема земляных работ и, зачастую, не может быть осуществлено полностью из кондиционных грунтов. Очевидно, что в этом случае необходимо уметь прогнозировать деформации, т.е. осадку насыпи за счет доуплотнения грунта под действием собственного веса, прежде всего для того, чтобы определить продолжительность технологлческого перерыва до начала устройства дорожной одежды, за время которого будет достигнута допустимая интенсивность осадки.

Деформации насыпей, сооружаемых из глинистых грунтов с вдаж-

костью вше оптимальной, имеют два принципиальных варианта механизма: растолэаиия (вследствие деформаций измеяййш формы) ч осадки (вследствие деформаций изменения объема). Первый вид деформаций исследован в ряде работ, в которых даны практические рекомендации по их учету. Решение же задачи прогноза деформаций консолидации основывается пока на представлениях о механизме процесса, не учитывавших ряда его особенностей, и потому нуждается а дальнейшем исследовании.

Уточнение закономерностей уплотнения рассматриваемых грунтов в насыпях позволит более надежно прогнозировать их осадку во времени, назначать тип дорожной одежды и сроки ее сооружения,что, в свои очередь, повысит качество проектирования и строительства насыпей, особенно высоких, где осадки могут быть достаточно велики и их неравномерности могут заметно повлиять на ровность покрытия, а, значит, на безопасность и комфортабельность движения.

Актуальность этой проблемы подтверждается также включением ее в программу 0.55ЛI ГКНТ СССР, в рамках которой и выполнялась настоящая диссертационная работа.

Целью работы является разработка аналитического метода прогноза деформаций уплотнения (консолидации) высоких насыпей автомобильных дорог при использовании глинистых грунтов с влажностью вше оптимальной. Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи исследования:

определить основные факторы, влияющие на цроцесс естественной консолидации высоких насыпей с обеспеченной устойчивостью, возведенных из глинистых грунтов с влажностью вше опт шальной, и уточнить механизм этого процесса;

изучить особенности свойств и поведения рассматриваемых грунтов с учетом влияния различных факторов и условий работы в конструкции;

разработать расчетную схему, формульный аппарат и методику прогноза деформаций консолидации (осадки во времени) таких насыпей, а также изменений плотности и влажности грунта ее тела во времени с учетом особенностей конструкции;

разработать практические рекомендации по оптимизации проектирования высоких насыпей из глинистых грунтов с влажностью выше оптимальной.

На задиту выносятся расчетная схема и методика прогноза деформаций консолидации высоких насыпей из глинистых грунтов с

влажностью вше оптимальной.

Научная новизна работй заключается, главный образом, в следующем:

исследован механизм процесса консолидации насыпей, возведенных из глинистых грунтов с различной исходной влажностью выше оптимальной, в соответствии с этим разработана физическая модель, иллюстрирующая процесс деформирования рассматриваемых грунтов;

теоретически и экспериментально обоснована расчетная схема, достаточно полно огрвжящая механизм естественной консолидации насыпей из глинистых грунтов с влажностью вше оптимальной и предложен расчетный аппарат, позволяющий прогнозировать осадку насыпи и параметры состояния грунта ее тела в рассматриваемом случае.

Практическая ценность. На основе полученных расчетных зависимостей разработана методйжа прогноза деформаций консолидации насыпей, возведенных из глинистых грунтов с влажностью вше оптимальной, и состояния грунта ее тела.

Предложена серия номограмм, с помощью которых можно осуществить этот прогноз.

Для реализации предложенной методики разработаны специальные программы для персональной ЭВМ.

Разработаны рекомендации в отношении оптимизации конструкция насыпей, возводимых из глинистых грунтов с влажностью вше оптимальной.

Реализация работы. Результаты выполненной работы использованы при проектировании и строительстве высоких насыпей из глинистых грунтов с влажностью вше оптимальной на автомобильных дорогах Москва-Симферополь ка участхе Серпухов-Тула ("Рекомендации по конструкции насыпи на 221...128 км") и Москва - Волгоград на участке МКАД - Кашира. Кроме того, они использованы в монографии "Глинистые грунты повыпедаой влажности в дорожном строительстве/ Э.М. Дрбров, S.U. Львович, Э.К. Иузахметова и др. - И,, Транспорт, 1991" (гл.П).

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены, обсуждены и одобрены на 47-й (1989 г.), 48-й (1990 г.)и 49-й (1991 г.) научно-мэто даческчг и научно-исследовательских конференциях ИАДИ, на XQ (1989 г.) всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов а г.Москве, на научно-технической конференции в г.Новосибирске, на Ш и ХШ научно-технических конфе-

ренциях (1989 и 1990 гг.) в г.Суздале и Г.Владимире, на международной конференции в Г.Владимира (1991 г.), на U и ИГ краевых научно-технических конференциях в г.Анапе (1990 и 1991 гг.).

Публикации. Во теме диссертационного исследования опубликовано II работ.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов и содержит 244 стр. машинописного текста, включая 92 рисунка, 7 таблиц, список литературы из 181 наименования, и II приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности работы, ее цель, научная новизна и практическая значимость.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССВДОВАНИЯ

Проектирование земляного полотна на всех этапах развития дорожной науки привлекало особое внимание различных исследователей. Решению многоплановых задач, связанных с этой проблемой, в разные годы посвящали свои работы ведущие ученые-дорожники нашей страны: H.H. Иванов, А.Н. Бируля, В.Ф. Бабков, А.Я. Тулаев, H.A. Цуэаиов, Ы.Б. Корсунский, Н.В. Орнатский, В.М. Сиденко, О.Т. Батраков, H.H. Оузыревский, В.Д. Казарновский, И.Е. Евгень-ев, В.И. Рувинский, S.U. Дэбров, В.Н. Яромко, В.И. Заворицкий, И.И. Леокович, D.M. Васильев.

Возросшие в последние десятилетия объемы строительства автомобильных дорог в зонах по в шейного увлажнения, а также повышение их категорийности, и, следовательно, увеличение количества высоких насыпей привели к необходимости использования для их сооружения глинистых грунтов с влажностью выше оптимальной. Это потребовало выполнения соответствующих исследований в этой области. Они были осуществлены коллективами ученых Союэдорнии и его Ленинградского филиала, КАДЯ, Калининского политехнического института и других учебных и научно-исследовательских организаций. Итоги этих исследований (с учетом действующего СНиП 2.05.02-85) отражены в действующих нормативно-технических документах.

Решения в отношении использования глинистых грунтов с влажностью вше оптимальной в верхней части земляного полотна в нас-4

тоящее время ограничиваются улучшением грунтов и укреплением их вяжущими (Ю.Васильев и др.) или применением арыирулцих прослоек. Эта проблема остается не до конца решенной и в настоящее время по ней ведутся исследования (Ю.В. Цудов, П. 11.Львович).

Реальная возможность использования глинистых грунтов с влажностью вше оптимальной возникает при сооружении слоев насыпи, расположенных ниже рабочего слоя. Однако при применении таких грунтов в высоких насыпях возникают условия дня деформации этих насыпей во времени. Имеются в вид/ два основных вида деформаций-изменение формы (сдвиг) и изменение объема (уплотнение).Деформации высоких насыпей вследствие изменения формы сопряжены с процессами сдвиговой ползучести и рассмотрены в работах Э.М.Доброва, Л.Н.Павловой. На основании этих исследований даны соответствующие рекомендации по прогнозу таких деформаций при проектировании высоких насыпей из грунтов с различной влажностью.

Вопрос прогноза деформаций уплотнения (изменения объема)изу-чался Э.М.Добровым, Э.К.Кузахметовой, Р.Е.Неплановой. В результате теоретических и экспериментальных исследований Э.К.Кузахмето-вой было установлено, что процесс консолидации техногенного глинистого грунта отличается от процесса консолидации грунтовой толщи. В частности,установлено,при каких состояниях грунта и условиях его работы невозможно фильтрационное Ътжатие вода из грунта насыпи, и когда такое огжатие имеет место (К >ВА =1,2...1,35; К„= 0,98...0,95; Р-?0,2...0,3 МОа). Результаты этих исследований учтены при разработке соответствующих методических рекомендаций (Союздорнии,1988г.). Предложенные в этих рекомендациях решения для практического прогноза осадки глинистых грунтов насыпей имеют эмпирическую основу и ограничены рядом допущений, которые трудно преодолеть,не рассматривая перераспределения между фазами внутренних напряжений в грунте. Эти допущения могут существенно повлиять на результаты расчетов. В то же время, в предложенных Э.К.Кузахметовой теоретических решениях указанные взаимодействия отражены лишь в общем виде.

В этих условиях развитие методики прогноза деформаций консолидации грунта тела насыпи возможно на основе теоретических решений, учитывающих в явном виде особенности внутренних взаимодействий между фазами грунта (напор, начальный градиент отжатия, условия дренирования и т.д.) и дальнейшего развития методов оценки эмпирических характеристик. _

Ооновы теории уплотнения и деформирования грунтов были заложены К.Терцаги и в дальнейшей развиты ведущими ученыыи-геотех-виками нашей отраны: Н.М.Герсевановыы, В.А.Флориным, Н.А.Цыто-вичем, Ю.М.Абелевым,- з.г. Тер-Мартироояном, М.Н.Гольдштейном и др. Существенный вклад в развитие этой облаоти знаний ввезли многие зарубежные специалисты, в том числе Р.Проктор, А.Казагранде, И.Бринч Хавзан, А.В.Сквштон, Л.Оукле.

Аналитические методы предполагают решение посредством различного ыагаыагичеокого аппарата оововного дифференциального уравнения фильтрационной консолидации и определение осадки во времени по площади той части эпюры внешнего давления, которое передано в данный момент времени ва скелет грунта.

Теоретические методы обладают рядом неооыненвых достоинств: они позволяют учитывать величину начального градиевта фильтрации (в отличие от пслуэмпиричаоких методов), благодаря широкому использованию математического аппарата (особенно о применением ЭВМ) и в меньшей отепени экспериментальных данных могут служить основой для раачета и сравнения большого количества конструкций и выбора наилучшей для данных условий, предполагают возможность получения формульных зависимостей для определения таких важных показателей свойотв грунта, как влажность , плотность и другие в любой интересующей момент времени и на любом расчетном горизонте , а также позволяют получить чиоленныэ подтверждения процессам и явлениям,происходящим на различных атадиях процесса дэформирования грунта.

Изучение состояния вопроса обусловило необходимость проведения теоретических и экспериментальных исследований процесса естественной консолидации высоких наоьпай автомобильных дорог, сооружаемых из глинистых грунтов о влажностью выше оптимальной. В ооответ-агвии а этим определены цель и задачи исследования, изложенные выше.

2. теоретический предпосылки предлагаемой методики прогноза дз формаций консолидации насыпзй из глинистых грунтов с влажностью вышв оптимальной

Анализ проведенных наследований и опыта отроительотва показал целесообразность применения для прогноза деформаций консолидации схемы одномерного сжатия. В качестве походной в работе принята гипотеза, в ооотаетотвии с которой механизм консолидации насыпей с обеспеченной уотойчивоотью, возведенных из глиниотых грунтов о б

влажноотыо выше оптимальной, должен соответствовать основным представлениям нлаооичаокой теории фильтрвционЕой консолидации. На основании этой гипотазы разработана расчетная схема, я кгторой учтено, что волвдотвиа разработки в карьере, трааопортировки, разравнивания и уплотнения в геле насшш в грунте обязательно находитоя газообразная фаза - защемленный воздух, т.е. коэффициент водонаоы-цения грунта С изныла единицы и имеот значения 0,8 <& <1,0.Поэто-му грунт должен раз сматривать о я как трехфазная ояатема (грунтовые частицы - вода - воздух).

Анализ механизма естественной консолидации глиниатого грунта тала наоьлш удобно выполнять, представив трахфазную оиотему грунта в ввдо некоторой модели. Для этого за основу принята извеотяая схема двухфазного грунта Терцаги-ГероевановаДасмотря на то, что влажность глинистых грунтов нааылей превышает оптимальную, они являются вое жа грунтами доотаточно маловлажныш, у которых жидкая фаза на имеет возможности полностью включать в себя газообразную. При такой влажности, в ооответатвии а представлениями В.А.Флорина, газ в грунта должен контактировать как а водой, так и о чаотицами скэлата грунта, и поэтому газообразная фаза на имеет возможности перемещаться к дренирующей поверхности. В ооответатвии о этим модель трехфазного грунта имеет вид, как показано на ряа.1. Оановное ее отлична от аналогичной модели Цытовича-Тер-Мартироая-на ооотоиг в той, что в яооладнай газообразная фаза. на контактирует о частицами окалата грунта и оаособна пареызщатьая к дренирующей поверхности.

Рис.1 Модель деформирования неполностью водонаоы-щенного грунта (трехфазного) рассматриваемого слоя насыпи:

I - оооуд; 2 - поршень о отверстиями; 3 - пруг.'ны; 4 - грунтовые частицы; 5- вода; б - зацемланный воздух; р - внешняя нагрузка (от ваоа вышележащих слоев насыпи)

Действующая на грунт (на рассматриваемом горизонта насыпи) нагрузка р от веса вышележащих олоав (си.риа Л) определяет возникновение в воде соответствующих напоров. В рассматриваемом алое грунта внешнее давление передается через жидкую фазу на газообразную, вследотвиа чего происходит объемное сжатие воздуха

(определяемое законом Бойля-Марнотта) и частичное растворение воадаха в воде (определяемое законом Генри). Слздоваш льно, не исключены такие случаи, когда весь защемленный в олое грунта воздух будет полностью раотворен в воде £ в таком (растворенном) виде выеоте о жидкой фазой переместится поровой водой к дренирующей поверхности.

Таким образом при достаточно большой нагрузке, т.е. в нижних слоях высоких насыпей, система грунта из трехфазной может трансформироваться в двухфазную. Следовательно, насыпь может состоять из двух расчетных олоев: верхнего - трехфазного и нижнего - двухфазного. Такое разделение представляется необходимым, поскольку имеются существенные различия между процессами деформирования во времени даже одного и того же грунта, но содержащего в овоеы аостгве третью, газообразною фазу, или представленного двухфазной моделью. Следует также добавить, что необходимо также учитывать наличие в верхней части насыпи пассивной (наконсолидируе-мой) зоны.

Характер деформирования каждой из выделенных расчетных зон, их взаимное влияния друг на друга и на процесс осадки воей наоы-пи может быть учтен в предлагаемой расчетной схеме введением в расчет соответствующих значений характеристик грунта (плотность, влажность , коэффициенты аориотости, ожимаеыссти фильтрации, а также начальный градиент и модуль деформации грунта). Тем же путем возможен учет и одновременно протекающих деформаций ползучеоти грунта.

Для решения основного дифференциального ' уравнения юнсоли-дацшг применен метод конечных разностей. Для любого горизонта насыпи последовательно, от одного расчетного момента времени к другое по предлагаемым зависимостям могут быть определены действующие по выооте нёоыпи г , в осевом ее атвора напоры (рис.2): Б0 - начальный; Н[Ц,В - на момент окончания строительства; Н^. - в момент времени t ; Н^нач " конечвый напор, определяемый начальным градиентом.

Это позволяет извэотными из классической теории фильтрационной консолидации методами раоочитывать осадку) поверхности насыпи во времени (рио.З).

Процеос осадки поверхности насыпи уоловно можно разделить на три характерных участка.

нопть - дневная»

б) насыпь а водонепроницаемым основанием или о дренирующей проолойкой на уровне под опта и;

в) два дренирующие прослойки в тале нааыпи: первая - у подошвы, вторая- на граница двух- и трехфазного грунта

В первый уа лозвый промежуток времени (I, рис.3) интеноив-ноать осадки невелика, что овязаво о "подпорой", который создает фильтрующаяая снизу вверх из двухфазного через менее проницаемый трехфазный грунт вода. По мере отжатая воды из нижнего олоя "подпор" иочвэаэт и на кривой можно выделить условный учаоток П о "установившейся" (в подулогарифыичеоком масштаба) окоростьв оаадки. По доотихении дейатвувдими напорами Н+ (оы.рио.2) значений конэчных напоров В -а нач, определяемых начальным градиен-

том, фильтрационная консолидация на ооответотвукнцих горизонтах заканчивав та я. Вначале это проиоходит на самом нижнем, а затем последовательно на вышележащих горизонтах. Это и определяет воз более затухающий характер коноолидационной зависимости на условном учаотке Ш. Эти начествешшэ изменения хорошо прослеживаются в ходе расчета. По построенной коноолвдационной кривой не представляет оложности определить арок стабилизации осадки, т.е. момент достижения требуемой ее интенсивности.

Предлагаемая раачатная схема дозволяет также учитывать наличие в тела насыпи горизонтально расположенных дренирующих прослоек, применяемых для уокоравия стабилизации осадки. В этом случае наоколько изменяются граничные условия (ам.рио.2), но в целом методика расчета остазтоя прежней. Анализ показал, что прослойки рациональнее располагать в зонах о наибольшими напорами, т.е. у подошвы нааыпи, если основание водонепроницаемо (ам.рис.26) или «а границе двух- и трехфазной аиотем грунта при водопроницаемом основании (аы.рио.2в).

В ряде практических задач ммуг потребоваться также данные о плотности и влажности грунта , которыми он может характеризоваться на различных горизонтах нааыпи в различные моменты времени 1 процеооа консолидации. Эта параметры могут быть определены с помощью предлагаемых зависимостей, полученных аналитическим пугаы. Влажность и коэффициент пористости на рассматриваемом горизонте в любой момент времени Ь :

где V/. и Ь, , V/ „м£ 7 влакность и коэффициент пориотооти

" а " стад стйв

грунта на заданном горизонта, соответственно на моменты времени начальный и конечный t отай. Поаледниэ параметры(у/отаб

и £ отай) могут быть определены посредством компресоионных иопытаний под нагрузкой, ооответотвувдай рассматриваемому горизонту, и раочетов по специально разработанной методике, учитывающей завиоимооть конечного напора Нанач от величины начального градиента.

Плотнооть же влажного грунта ± или плотность оухого

е /г С \ Не-Н*_

(I)

ИЛЕ

(2)

грунта в любой момент врамени i на любом расчетном го-

ризонте насини можно определить по предлагаемым зависимостям,как:

J>s[l* Wo-CWp-У/стаД)] _(3)

(4)

р _л_

где: />5 - плотность частиц грунта. Аналогичным образом может быть раосчитал на любой момент времени дроцеоса консолидации и коэффициент водонасыщения для соответствующего горизонта насыпи.

3. ЭКСПВРИМЗНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ЕСТЕСТВЕННОЙ " КОНСОЛИДАЦИИ НАСЫП5Й ИЗ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ С ВЛАЖНОСТЬЮ ВЦ ИИ ОПТИМАЛЬНОЙ

Для подтверждения основных теоретических представлений, выдвинутых в работе, был выполнен комплако экспериментальных исследований по трем основным направлениям: I) изучение физичеоких свойств рассматриваемых типов грунтов и моделирование их деформируемости в различных условиях; 2) комплекс расчетов на персональной ЭВМ по специально разработанным программам , выполненный в рамках математического моделирования; 3) изучение и анализ данных обследования реальных неоыпзй автомобильных дорог, сравнение этих данных о расчетными, полученными на основе предлагаемых в работе решений. При проведении экспериментальных работ отреыилиоь одновременно'

изучать как качественные, так и количественные изменения, проявляющиеся в разной отепени на различных этапах и стадиях эксперимента, но в целом дающие достаточно полную картину происходящих процеосоз.

Прежде в aero оценивали выдвинутый тезис о трансформировании грунта под нагрузкой от веса вышележащих олоев наоыпи из трехфазного соотоявия в двухфазное. Поскольку в работе рассматривались наоыпи высотой от к,5 до 12 и более мэтров, диапазон нагрузок в опытах составлял от 0,05 до 0,3 Ша (иоходная влажпооть грунта -1,2 ... 1;3иоходная плотноать - 0,90 ... 0,95^). В опытах было установлено , что в рассматриваемом диапазоне нагрузок и в зависимости от исходного соотояния грунта происходит его трансформирование из трехфазной оиотемы в двухфазную. Компрессионные испытания под соответствующими нагрузками, проведенные по "закрытой" системе подтвердили применимость для решения нашей задачи

расчетного ашарата, предложенного В.А.Флориным. Полученные в опытах значения коэффициента зодонасьпцения Оф^ сравнивали о расчетными &раоч» полученными с использованием формульных зави-оиыоотэй В.А.Флорина (рис. 4). Удовлетворительная сходимость свидетельствует о справедливости наших расоукдений.

1.0 0,975 0,95 0,925

• у>

• 1г\ К'

■ >

Рис.4. Сравнение опытных и расчетных значений коэффициента водонаоыщения глинистых грунтов:

суглинка легкого;

»- суглинка тяжелого;

о- суглинка легкого пылева-того;

глины жирной

0,925 0,95 0,975 1,0

До и после компрессионного опыта из образцов грунта отбирали пробы для микроатруктурного анализа, который выполняли о помощью электронного микроскопа. При этом было также подтверждено, что при определенных уоловиях глинистые грунты о влажностью выше оптимальной под воздействием нагрузки от собственного веса вышележащих алое в насыпи могут трансформироваться из трехфазной системы в двухфазную.

Для уточнения характера и величины качественных и количественных изменений, происходящих во времени в расчетном слое грунт£ наоыпи под воздействием различных нагрузок р, соответствующих нагрузкам от собственного веса грунта вышележащих слоев была проведена серия к оноолидационньх испытаний в одометрах с четырьмя разновидностями грунтов. Тсдькс на этом этапе исследований было проведено около 50 опытов. Проведенные исследования позволили установить количественное соотношение в грунте различных фаз в про-цеоое его консолидации, а также подтвердить ряд теоретических предпосылок, принятых за основу при разработке расчетной схемы и той части формульного аппарата, которая связана с прогнозом плотности и влажности грунта тела насыпи. В связи с необходимостью использования в расчетном аппарате коэффициента фильтрации и сложностью его определения в прямых опытах на фильтрацию, были проведены консолидационныа испытания, в результате которых 12

коэффициент фильтрации бьи получен путем пересчета через параметр консолидации.

Таким образом, результаты нескольких серий консолидационных и компрессионных испытаний позволили вплотную подойти к изучению процесса консолидации всей насыпи в целом на основе математического моделирования. Численный анализ осуществлялся с помощью специально разработанных автором программ для персональной ЭВМ. В процессе расчетов, кроме прочего, было исследовано влияние дренирующих прослоек, геометрических и физико-механических характеристик насыпи на величину и ход осадки во времени, а также на характер изменения физических характеристик грунта ее тела в процессе консолидации. При этом результаты математического моделирования в части прогноза осадок сопоставляли с данными лабораторного моделирования, выполненного с использованием полуэмпирических методик. Ранее отмеченное несоответствие лабораторных опытов реальности в части моделируемых градиентов получило в ходе математического моделирования свое подтверждение. Гак, консолидацион-ные кривые (2 и 4, см.рис.5), рассчитанные при 3 нач = 0 (как это имеет место в лабораторных испытаниях), более близки к "лабораторной" кривой 5, чем при начальном градиенте отличном от нуля (I

и 3). Но поскольку лабораторные опыты позволяют в интегральной

50__100_150 200 250 6)t. от

0,13

Рис.5. Кривые консолидации насыпи, высотой 8м, полученные расчетным (1...4) и лабораторным (5) путем: I- при Зна,=1»3; 2-при 3иач=0; 3-при :)„»= 1,3 и масштабу времени, рассчитанному через параметр "5 ; 4-призма, =0 и при учете параметра "6

форме учесть одновременно протекающие с деформациями консолидации деформации ползучести грунта, в этой части они ближе к реальности. Поэтому для уточненного прогноза в расчете может быть использован консолидационный параметр "& ".полученный по результатам опытов. Это подтверждает практическое совпадение "лабораторной" кривой 5 с расчетной 4, полученной при учете "8" и Йнач= 0. Таким образом, учет параметра "8" и начального градиента должен обеспечивать наибольшую точность прогноза (см. кривую 3, рис.5).

Последний этап экспериментальных работ - обследование реальных насыпей автомобильных дорог - предполагал определение ряда физических характеристик грунтов, отобранных с различных горизонтов насыпей, строительство которых осуществлялось в разное время из различных по составу и состоянию грунтов. Для этого осуществляли бурение на нескольких участках автомобильной дороги Серпухов - Тула вертикальных скважин с отбором на различных горизонтах монолитов грунта (рис.6).

места бурения скважин лев ось пр

V / 7/777, \ с \ -С

V \у \ ^ \ \ й .с X

-V/

12

Рис.6. Общая схема обследования высоких насыпей на автомобильной дороге Серпухов-Тула; - высота насыпи; и И о. -мощности, соответственно,пассивной и активной (нестабильной) зон; К"' и II" - слои грунта, представленные, соответственно, трехфазной и двухфазной системами

Пробы подвергали в лаборатории стандартным испытаниям. Их результаты позволили получить графики изменения физических характеристик грунтов по высоте насыпи. Эти данные сопоставляли с расчетными, полученными для соответствующих наблюдаемым моментам времени. Исходными для проведения расчетов по предлагаемой методике служили характеристики грунта, которые были зафиксированы в момент строительства насыпей. Серия сравнительных расчетов пока-14

зала, что наибольиая сходимость наблюдаемых данных с расчетными имеет место в случае введения в расчет величины начального градиента нач = 1,3, что соответствует данным многих исследователей, приводимым в специальной литературе. Результаты проведенных исследований (см. рис.7)-подтверждают практическую применимость предлагаемых в работе решений. На этом этапе исследований также проводили микроструктурный анализ с помощью электронного микроскопа. Результаты его аналогичны данным, полученным в ходе лабораторных экспериментов.

0,60 .0,656 1,65 1,7-Л* 21 22 23 у 0,95 1,0 8-

I 1 I ■ I. )1 1

2 У 2 ' Ч 2 У 2. \

3 / 3 \ 3 у/ 3

4 / 4 \ 4 / 4 \

5 ./ 5 . X 5 / 5

6 . / 6 ' \ 6 / 6 \

7 / 7 ' \ /. 7 • 1

' ЛУ ■»/ ЛУ

2 г г г

Рис.7. Графики сопоставления физических характеристик грунта,полученных расчетом по предлагаемой методике с данными обследования реальных насыпей:

£ - коэффициент пористости; Я<£ - плотность; - влажность; & - коэффициент водонасьгцения; н- ордината горизонта

4. ПРАКТИЧЕСКАЯ методика прогноза ДЕФОРМАЦИЙ КОНСОЛИДАЦИИ ВЫСОКИХ НАСШЕИ КЗ ГЛИНИСТЫХ грунтов С влажностью ВШЕ опгдоалшой

С целью ^недрения результатов проведенных исследований в практику проектирования и строительства высоких насыпей, сооружаемых из глинистых грунтов с влажностью выше оптимальной, разработана практическая методика расчета, позволяющая прогнозировать деформации консолидации в осевом отворе таких насыпей с учетом наличия или отсутствия в ее теле дренирующих слоев. Кроме того, методика позволяет прогнозировать плотность и влажность грунта тела насыпи на любом расчетном горизонте в любой интере-сущий момент времени.

Для упрощения практического использования предлагаемой ме-

15

тодики при подготовке исходных данных может быть использована серия номограмм, которая получена расчетным путем, Используя первую из них (рис. 8), по известный значениям плотности ]> , влажности V* и коэффициента пористости грунта ь , полученным в результате простейших испытаний, можно определить степень водона-сыцения грунта &„ , которую он имеет после окончания уплотнения слоя грунта тела насыпи.

Со этой же номограмме можно определить требуемую нагрузку р, которую необходимо приложить к рассматриваемому слою грунта тела насыпи, чтобы он перешел из первоначального трехфазного состояния ( & * 1,0) в двухфазное ( &„= 1,0). Это позволяет выделить в нижней части насыпи слой грунта, высотой К' (см. рис. 2), определяющий нагрузку р0» перешедший вследствие воздействия на него нагрузки р от веса вшележшдих слоев насыпи, высотой К" , из первоначального трехфазного состояния в двухфазное. Таким образом, вторая основная функция номограммы сводится к разделению насыпи, высотой , на расчетные слои, представленные трехфазной Ь'" и двухфазной Ь" системами при одновременном определении нагрузок от этих слоев.

Для определения степени водонасщения & , которой характеризуется грунт после приложения к нему нагрузки р от веса выпеле-жещих слоев, могут быть использованы соответствующие номограммы, одна из которых приведена на рис. 9. Они построены для следующих значений &о: 0,80; 0,85 (рис. 9) и 0,90; 0,95. В случае же, если & теет некоторое промежуточное значение, отличное от названных, величина & может быть в первом приближении определена методом линейной интерполяции, которую удобнее выполнять графически.

Реализация предлагаемой методики осуществлена с помощью специально разработанной серии программ для персональной ЭВМ. Одна иэ этих программ позволяет рассчитывать насыпь с односторонним условием дренирования (при водонепроницаемом основании), другие - при наличии дренирующих прослоек в теле насыпи.

Следует заметить, что расчет, в принципе, может быть осуществлен и "вручную", но в этом случае его проведение требует большого времени. Использование же ЭВМ позволит при проектировании в короткий срок рассчитать и сравнить широкий диапазон различных конструкций, что особенно важно на первой стадии вариантного индивидуального проектирования. На второй стадии проектирования, т.е. дяя уточненного прогноза, учитывающего ползучесть грунта, в 16

ОДО ОД2Б 0,850 ОЛ75 0,90 0.925 0.950 0,975 1,00 во Рис. 8. Номограмма для оценки состояния грунта

17 -а.

ОДОО 0Д25 0Л50 0.&75 0,90 0.525 0,350 0.375 1,00 С Рис. 9. Номограмма для определения степени водонаснщения грунта & при О0= 0,8 (-) и &0= 0,85 (---)

из

расчете необходимо использование результатов лабораторных исследований, получаемых по полуампирической методике.

Кроме этого, для каждой из программ разработана версия, позволяющая а графической форме прослеживать на экране дисплея изменения напоров во времени, происходящие в теле насыпи (аналогично показанным на рис. 2). Такие данные иногда ыогут оказаться полезными при решении задач как научного, так и практического характера.

Проведенные исследования позволили разработать практические рекомендации по оптимизации конструкций высоких насыпей, возводимых из глинистых грунтов с влажностью выше оптимальной, в части назначения требуемых свойств грунта, достигаемых при строительстве, обоснованного выбора типа дорожной одежды, а также назначения местоположения и основных расчетных характеристик дренирующих слоев (или прослоек), устраиваемых в теле насыпи. Целесообразность введения последних в земляное полотно определяется необходимостью повышения качества строительства, достижения требуемых свойств грунта тела насыпи и ускорения протекания деформаций консолидации насыпи (с целью сокращения сроков технологического перерыва от момента окончания строительства земляного полотна до начала устройства дорожной одежды).

Экономические расчеты подтверждают эффективность сооружения подобных конструкций. Использование в насыпях автомобильных дорог глинистых грунтов, влажность которых превышает оптимальную, чаще всего обусловлено, как было показано вше, отсутствием в районе строительства кондиционных грунтов, а также рационально в тех случаях, когда дальность транспортировки кондиционного грунта весьма значительна и требует существенных материальных затрат. В целом же проектирование подобных насыпей должно осуществляться на технико-экономической основе.

общие вывода

I. Показано, что процесс естественной консолидации высоких насыпей с обеспеченной устойчивостью, возводимых из глинистых грунтов с влажностью выше оптимальной, характеризуется рядом особенностей, отличащим его от процесса консолидации, рассматриваемого для грунтов в основаниях сооружений. Установлено, что причи-той этого, в первую очередь, являются структурные особенности насыпных глинистых грунтов, условия их работы в конструкции и, как

19

следствие, особенности механизма деформирования таких грунтов в теле насыпи.

2. Доказана целесообразность использования при построении расчетной схемы основных положений теории фильтрационной консолидации В.А. Флорина при определении основных расчетных параметров путем прямых консолидационных и компрессионных испытаний.

3. Прогноз деформаций консолидации насыпи может быть осуществлен по методике, разработанной на основе предложенной расчетной схемы и соответствущего ей формульного аппарата. При проектировании насыпи использование методики позволяет прогнозировать во времени осадку насыпи и изменение физических характеристик грунта на различных ее горизонтах с учетом наличия или отсутствия дренирующих прослоек.

4. В качестве эффективной конструктивной меры дяя ускорения завершения интенсивной части осадки может быть рекомендовано устройство горизонтальных дренирующих прослоек из геотекстиля или дренирущих грунтов. Рациональное расположение прослоек может быть установлено с помощью предложенного расчетного аппарата.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Дьвовкч Ü.M., Куэахметова Э.К., Жмурина Л.А. Новый подход к проектированию насыпей автомобильных дорог из местных глинистых грунтов с влажностью более оптимальной //Проблемы транспортного строительства в Сибири: Тезисы докладов научно-технической конференции. - Новосибирск, 1939, - С.29-30.

2. Нузахметова Э.К., Савина И.й. Исследование влияния влажности глинистых грунтов на их водопроницаемость в земляном полотне автомобильных дорог //Тезисы докладов на XII всесоюзной научно-технической конференции молодых ученых и специалистов. -Di., 1989. - С.48-49.

3. кузахметова Э.К., Савина И.й. Особенности индивидуального проектирования насыпей из глинистых грунтов повьшенной влажности //Устойчивость геотехнических сооружений на железнодорожном транспорте / Межвузовский сб. научн. тр. - Днепропетровск, 1989, - С.59-65.

4. кузахметова Э.К., Савина И.й. Устройство для компрессион-но-консолидационных испытаний образца грунта с дренирующего геотекстильной прослойкой // Применение геотекстиля и геопластиков в

дорожном строительстве / Сб. научн. тр. Союздорнии. - М.. 1990.

- С. 42-46.

5. Нузахметова Э.К., Жмурика И. И. Проектирование высоких насыпей, сооружаемых из глинистых грунтов с влажностью вьпе оптимальной // Обеспечение надежности дорог, ¡тостов и безопасности движения: Тезисы докладов Ш краевой научно-технической конференции. -Анапа, 1990. - С. 32-34.

6. Нузахметова Э.К., Жму р л на И.И. Особенности метода достижения требуемой плотности глинистых грунтов с влажностью вше оптимальной в высоких насыпях // Использование отходов прошз:-ленности при строительстве и эксплуатации автомобильных дорог в Нечерноземной зоне РСФСР: Тезисы докладов научно-технической конференции. - Владимир, 1990. - С. 113-114.

7. Кузахметова Э.К., Львович Ю.М., Жмурина И.И. Прогноз деформаций насыпей из глинистых грунтов с влаяностьв более оптимальной // Автомобильные дороги. - 1990. - № 12. - С. 22-25,

8. Нузахметова Э.К., Львович Ю.М.( Жмурина И.И. Конструкции и технология сооружения земляного полотна автомобильных дорог

из глинистых грунтов с влажностью более оптимальной // Проблемы дорожного хозяйства и пути их реаения: Тезисы докладов 1У краевой научно-технической конференции. - Анапа, 1991.г.

9. Лмурина И.И. Аналитический прогноз естественной консолидации глиниста грунтов повыаенной влажности в высоких насыпях // Применение отходов промышленности и местных строительных материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог: Тезисы докладов международной научно-технической конференции. - Владимир, 1991. - С. 29-30.

10. Кузахметова Э.К., Нмурина И.И. Влияние структуры и состояния глинистых грунтов на характер их деформирования в насыпи // Автомобильные дороги. - 1991. - > 4. - С. 21-22.

11. Жмурика И.И., Нузахметова Э.К. Прогноз осадки высоких насыпей из переувлажненных грунтов // Автомобильные дороги.

- 1991. - № 5. - С. 16-18.