автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Прогнозирование остаточных деформаций дорожных одежд нежесткого типа на земляном полотне из глинистых грунтов

V о , •' -Л -Л-

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

КАНЫГИНА СВЕТЛАНА ЮРЬЕВНА

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НЕЖЕСТКОГО ТИПА НА ЗЕМЛЯНОМ ПОЛОТНЕ ИЗ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ

05.23 Л1 - Строительство автомобильных дорог и аэродромов

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор М.С. Коганзон

Москва 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................ 5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................... 8

1.1. Основные причины возникновения неровностей проезжей части дороги. Роль грунта земляного полотна в процессе накопления остаточных деформаций дорожной одежды........... 8

1.2. Существующие методы прогнозирования деформаций грунтового основания......................................... 15

1.3. Цель и задачи исследования.............................. 40

ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

НЕРАВНОМЕРНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД НЕЖЕСТКОГО ТИПА ПОД ДЕЙСТВИЕМ АВТОТРАНСПОРТНЫХ НАГРУЗОК............. 42

2.1. Основные положения................................... 42

2.2. Модель накопления равномерной пластической деформации дорожных одежд под действием подвижной нагрузки с учетом пластических свойств глинистых грунтов земляного полотна. . . 46

2.3. Основные положения метода линеаризации..................55

2.4. Определение неравномерной пластической деформации дорожных одежд нежесткого типа с использованием метода линеаризации.............................................57

2.5. Вероятностный расчет неравномерной пластической деформации................................................... 63

Выводы по 2— главе......................................... 70

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАВИСИМОСТИ ПЛАСТИЧЕСКОГО ДЕФОРМИРОВАНИЯ ГЛИНИСТОГО ГРУНТА ОТ ЧИСЛА ПЛАСТИЧНОСТИ И ВЛАЖНОСТИ ГРУНТ А....................................... 71

3.1. Цель и задачи экспериментальных исследований............. 71

3.2. Методика определения величины пластической деформации глинистого грунта...................................... 73

3.2.1. Приборы и оборудование для определения величины пластического деформации глинистого грунта.................. 73

3.3. Характеристики исследуемого грунта...................... 77

3.4. План эксперимента...................................... 78

3.4.1. Время действия касательного напряжения................. 79

3.4.2. Относительная влажность грунта......................... 80

3.4.3. Число пластичности.................................... 80

3.4.4. Планирование эксперимента............................. 80

3.5. Формование образца и подготовка к испытанию.............. 82

3.6. Схема эксперимента..................................... 83

3.7. Экспериментальное определение величины пластического деформирования глинистого грунта при внедрении шарового индентора в условиях трехосного напряженного состояния. . . 85

3.8. Определение величины активного касательного напряжения в области контакта индентора с поверхностью грунта образца и глубины пластического деформирования............... 86

3.9. Вероятностная модель накопления остаточной деформации на поверхности дорожной одежды с учетом неоднородных свойств конструктивных слоев дорожной одежды и глинистого грунта земляного полотна........................... 92

Выводы по 3— главе........................................ 103

ГЛАВА 4. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД С УЧЕТОМ ПЛАСТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА........ 104

4.1. Уточнение значений средней влажности глинистых грунтов земляного полотна с учетом неоднородных пластических

свойств и типа грунта................................. 104

4.2. Рекомендации по конструированию и расчету нежестких дорожных одежд с учетом пластических свойств глинистых грунтов земляного полотна............................. 124

4.3. Технико-экономическое обоснование нормирования пластичности грунта земляного полотна........................ 126

Выводы по 4— главе....................................... 130

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ........................................ 131

ЛИТЕРАТУРА............................................ 133

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 .Изменение среднего активного касательного напряжения по глубине грунта земляного полотна (Щ ДКЗ,

II тип местности по условию увлажнения)................. 146

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Данные расчета напряженного состояния грунта земляного полотна в зависимости от категории дороги, до-рожно-климатической зоны, типа местности и вариации относительной влажности................................... 147

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Результаты экспериментального исследования зависимости пластического деформирования глинистого грунта от суммарного времени действия активного касательного

напряжения и состояния грунта по влажности...............159

ПРИЛОЖЕНИЕ 4.Обобщенные данные экспериментальных исследований зависимости пластического деформирования глинистых грунтов от суммарного времени действия активных касательных напряжений, их величины и состояния грунтов по

влажности (консистенции)............................... 194

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Данные расчета величины остаточной деформации на поверхности земляного полотна для конструкций дорожшых одежд с Ед/Ег = 30 и h/D = 2, полученные по модели автора для сравнения с данными, рассчитанными по

модели З.А. Мевлидинова............................... 199

ПРИЛОЖЕНИЕ 6. Физико-механиические характеристики грунта земляного полотна. Величина допускаемого напряжения сдвига в грунте земляного полотна............................202

ПРИЛОЖЕНИЕ 7. Конструкции дорожных одежд нежесткого типа для расчета величины остаточной деформации, накопленной

за срок их эксплуатации.................................205

ПРИЛОЖЕНИЕ 8. Справка о внедрении результатов диссертационной работы........................................226

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Работоспособность дорожных одежд нежесткого типа в значительной степени определяется ровностью покрытия, которая существенно влияет на себестоимость автомобильных перевозок. Одной из главных причин потери ровности дорожных одежд нежесткого типа является неравномерное накопление остаточных деформаций, вызванное в значительной степени влиянием неупругих свойств грунтов земляного полотна.

Принятый в настоящее время метод расчета дорожных одежд на прочность базируется на решениях теории упругости, не позволяющих прогнозировать изменение ровности, поскольку они описывают только упругие, т.е. мгновенно восстанавливающиеся деформации.

Влияние неупругих свойств глинистых грунтов земляного полотна и их влажности на эксплу атационное состояние дорожных одежд по ровности в существующей методике расчета не учитывается.

В результате на проезжей части большинства дорог имеют место значительные неравномерные остаточные деформации, что приводит к сокращению срока службы дорожной одежды.

В связи с этим тема диссертационной работы является актуальной.

Для обеспечения требуемого трансггортыо-эксплуатациоиного состояния автомобильных дорог по ровности на весь период эксплуатации необходимо разработать методику учета влияния пластических свойств глинистых грунтов земляного полотна на результаты расчета и конструирование дорожных одежд. Для этого необходимо провести экспериментальные исследования параметров пластических свойств глинистого грунта, учитывающих его состояние по влажности и напряженному состоянию.

Цель диссертации предусматривает исследование пластических свойств глинистых грунтов земляного полотна и разработку методики прогнозирования остаточных деформаций дорожных одежд нежесткого типа.

Объектом исследования являются неупругие деформации глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог.

Методика исследования. Теоретической основой исследования явились труды отечественных и зарубежных ученых в области механики дорожных одежд и реологии грунтов.

В диссертации использовались также материалы исследований по механике грунтов.

При решении поставленных в диссертации задач использовался вероятностный метод линеаризации. Обработка результатов исследований и расчеты по математическим моделям осуществлялись на ЭВМ.

Научная новизна работы состоит в том, что на основе теоретических и экспериментальных исследований получена и обоснована зависимость величины остаточной деформации глинистых грунтов от суммарного времени действия активных касательных напряжений, их величины и консистенции грунта; получена и обоснована статистическая модель накопления неравномерной остаточной деформации на поверхности дорожной одежды нежесткого типа с учетом влияния неоднородности глинистых грунтов земляного полотна по влажности и напряженному состоянию.

Практическая ценность работы заключается в возможности использования предлагаемой статистической модели для определения величины остаточной деформации, накапливаемой на поверхности дорожной одежды за срок ее службы, и в определении влияния снижения средней влажности глинистых грунтов земляного полотна на величину остаточной деформации дорожных одежд нежесткого типа.

Реализация результатов исследований заключается в разработке предложений по ограничению величины накопленной остаточной деформации системы "дорожная одежда - земляное полотно" с целью обеспечения требуемого транспортно-жсплуатационного состояния проезжей части дороги по ровности. Результаты выполненных исследований могут быть ис-

пользованы для обоснования расчетных параметров, характеризующих неупругие свойства грунтов земляного полотна автомобильных дорог.

Апробация работы. В процессе выполнения данной диссертационной работы ее основные результаты докладывались автором и обсуждались на заседаниях кафедры строительства и эксплуатации дорог МАДИ(ТУ) (1993, 1994, 1995, 1998 гг.), на 51, 52 и 57 научно-методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ(ТУ) (1994, 1995 и 1999 гг.).

Публикации. По результатам исследований опубликованы семь печатных работ: тезисы докладов на Республиканских научно-практических конференциях в г. Владимире (1990, 1991 г.г.), в г. Суздале (1995, 1996, 1998 г.г.) и на международных научно - технических конференциях в г. Минске (1995 г. ) и в г. Ростове-на-Дону (1998 г.).

На защиту выносятся:

• результаты экспериментальных исследований процесса пластического деформирования глинистых грунтов под действием нагрузки;

• статистическая модель накопления пластических деформаций глинистого грунта земляного полотна и дорожной конструкции в целом;

• оценка влияния неоднородности грунта земляного полотна по влажности и напряженному состоянию на накопление остаточных деформаций дорожной конструкции;

• рекомендации по снижению величины накопленной неравномерной остаточной деформации за срок службы дорожной одежды.

Автор выражает искреннюю благодарность д.т.н., профессору Ю.М. Яковлеву, д.т.н., профессору Э.М. Доброву за ценные замечания, советы и помощь, оказанную при выполнении данной работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, 8 приложений. Основной текст диссертации содержит 146 страниц печатного текста, 13 рисунков и 20 таблиц. Библиография состоит из 123 наименований использованных литературных источников.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

В настоящее время транспортно-эксплуатационное состояние по ровности большей части автомобильных дорог общего пользования не соответствует требованиям автомобильного транспорта.

Поэтому одной из актуальных проблем является разработка методики учета влияния, в первую очередь, неупругих свойств грунта земляного полотна на работоспособность дорожной одежды и ее ровность в процессе эксплуатации.

В связи с этим научные исследования, направленные на установление зависимостей, позволяющих прогнозировать изменение ровности дорожных одежд во времени, имеют важное практическое значение. Обеспечение требуемой ровности дорожной одежды в течение срока ее службы, позволит снизить затраты на ремонт и содержание автомобильной дороги.

1.1 Основные причины возникновения неровностей проезжей части дороги. Роль грунта земляного полотна в процессе накопления остаточных деформаций дорожной

одежды.

Практика эксплуатации автомобильных дорог и результаты экспериментальных исследований показали, что большинство материалов слоев нежесткой дорожной одежды и грунты земляного полотна под действием транспортной нагрузки проявляют неупруг ие свойства, г. е. пластичность.

При однократном приложении транспортной нагрузки величина остаточной деформации обычно пренебрежимо мала по сравнению с упругой, но с увеличением числа приложений нагрузки происходит постепенное накопление остаточной деформации, и она достигает величины, которой

пренебрегать недопустимо. Остаточная деформация на поверхности дорожной одежды нежесткого типа представляет собой результат суммирования остаточных деформаций каждого ее конструктивного слоя и земляного полотна. A.M. Кривисский, Н.Я. Хархута, Ю.М. Васильев, В.Д. Казарновский, Э.М. Добров и др. на основе результатов проведенных исследований установили, что грунты земляного полотна играют ведущую роль в развитии процесса необратимого деформирования дорожных одежд нежесткого типа.

В процессе строительства земляного полотна из глинистых грунтов происходит разрушение их структурных связей природного сложения и образование искусственной структуры с менее прочными диспергационными связями. При уплотнении грунта дорожно-строительными машинами увеличивается прочность грунта, и одновременно реализуются объемные остаточные деформации за счет повышения концентрации грунтовых частиц в единице объема земляного полотна. При этом различные землеройно-транспортные машины, в зависимости от используемых рабочих органов, оказывают существенное влияние на агрегатный состав глинистого грунта техногенной структуры.

При сооружении земляного полотна грунт приобретает искусственную структуру, для которой характерны многокомпонентное™ и наличие агрегатов различных размеров.

Авторы работы [25] предлагают гипотезу искусственной структуры глинистого грунта, включающую следующие компоненты:

- частицы грунта (или агрегатов частиц грунта), связанные между собой водно-коллоидными связями различной прочности, которые образованы надчастичными связями или межагрегатными, имеющими аналогичный характер взаимосвязности частиц;

- рыхло- и прочносвязанную воду в порах между частицами;

- воздух в порах между частицами.

Пластические свойства глинистых грунтов обусловлены наличием в них глинисто-коллоидных частиц (мицелл) [14,25,76]. Большая удельная поверхность глинистых частиц, вследствие их высокой дисперсности и гидрофильное™, обеспечивает процесс адсорбции. Вследствие адсорбции и ионного обмена минеральная частица обволакивается пленкой прочносвязанной воды, образуя мицеллу. Контактирование мицелл происходит через гидраг-ные оболочки. Пленочная вода обладает особыми свойствами - оказывает сопротивление растяжению и сжатию. H.H. Маслов [76] отмечает, что вязкость связанной воды больше, чем у свободной, и она тем больше, чем тоньше пленка воды, обволакивающая частицу.

Климатические воздействия способствуют изменению влажности в системе дорожная одежда - земляное полотно. В зависимости от степени увлажнения грунт может находится в различном состоянии от твердого до жидкого. С увеличением влажности глинистых грунтов водные оболочки частиц утолщаются, при этом образуется слой рыхлосвязанной воды, обладающей меньшим сопротивлением на сдвиг, чем прочносвязанная вода. При продолжительном воздействии касательных напряжений, возникающих от действия подвижной нагрузки, гидратные пленки сдвигаются одна по другой, так как вязкое сопротивление гидратных оболочек сдвигу меньше, чем сжатию. При этом частицы грунта отодвигаются друг от друга, в результате силы связности межу ними ослабевают. Происходит перекомпоновка частиц и возникают пластические деформации.

Пластичность - свойство тел необратимо изменять, не разрушаясь, свою форму под действием внешних сил.

Остаточные деформации в грунтах могут быть как деформациями за счет изменения объема, так и за счет изменения формы [14].

В.Д. Казарновский [47] считает, что при соблюдении требований к уплотнению земляного полотна и материалов конструктивных слоев дорожной одежды на стадии строительства накопление остаточных деформаций в

земляном полотне и в конструктивных слоях за счет доуплотнения практически невозможно. Поэтому деформации, возникающие под действием транспортных нагрузок, могут носить характер только деформаций сдвига, т. е. формоизменения.

Исследования сдвигоустойчивости глинистых грунтов, проведенные Л.Н. Павловой [88] показали, что при увеличении влажности грунта может наступить такой момент, когда сопротивляемость сдвигу данных грунтов будет практически равна нулю, а это означает, что при любой, даже самой малой величине касательных напряжений в таких грунтах будет появляться �