автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Расчет нежестких дорожных одежд по критерию безопасных давлений на глинистые грунты земляного полотна

На правах рукописи

Долгих Геннадий Владимирович

РАСЧЕТ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ПО КРИТЕРИЮ БЕЗОПАСНЫХ ДАВЛЕНИЙ НА ГЛИНИСТЫЕ ГРУНТЫ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

Специальность 05.23.11 — Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных

тоннелей

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических паук

11 ДЕК ¿014

Омск-2014

005556597

005556597

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СнбАДИ)»

Научный руководитель: Александров Анатолий Сергеевич

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Исаков Александр Леонидович

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Изыскания, проектирование, постройка железных и автомобильных дорог» ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей и сообщения (СГУПС)»

Старков Глеб Борисович

кандидат технических наук, заместитель генерального директора по качеству, ООО «Стройсервис»

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет (ВолгГАСУ)»

Защита состоится «30» декабря 2014 года, в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.250.01 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно — дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5, аудитория 3124. Тел. (3812) 72-99-79, e-mail: bobrova.tv@gmail.com

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» и на сайте академии по адресу http://sibadi.org/science/studies/dissertations/7167/.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять в диссертационный совет по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5. Тел. (3812) 72-99-79, e-mail: bobrova.tv@gmail.com

Автореферат разослан «24» ноября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета ; ' Боброва Татьяна

доктор технических наук, профессор ' ~ Викторовна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Ровность покрытий автомобильных дорог является основным потребительским свойством, определяющим скорость, комфорт и безопасность движения. Накопление неровностей на покрытиях дорожных одежд нежесткого типа вызвано многомиллионным количеством приложенных колесных нагрузок и недостаточной сдвигоусгойчнвостыо глинистых грунтов земляного полотна, деформации которых составляют 60-90% от деформаций, возникающих на поверхности покрытия. В Российской Федерации большинство построенных и строящихся автомобильных дорог работают па земляном полотне из глинистых грунтов. Учитывая состояния дорог по ровности в Российской Федерации задача управления и сохранения ровности покрытий является национально важной.

Степень разработанности. Действующие нормативные документы регламентируют производить проверку сдвигоустойчивости в грунте земляного полотна и в слабосвязных материалах дорожных одежд. В основе этого метода лежит решение А.М. Кривисского, базирующееся на теории В.В. Соколовского. В качестве условия пластичности используется критерий Кулона-Мора, предельной поверхностью которого в девиаторной плоскости является шестигранник с тремя углами сжатия и тремя углами расширения. В настоящее время известно достаточно большое количество условий пластичности дискретных материалов, из анализа которых получены формулы для расчета предельных значений максимальных и минимальных напряжений. В результате имеется возможность оценки точности условий пластичности и соответствующих им предельных значений напряжений. Такая оценка позволяет определить наиболее точный критерий, который необходимо закладывать в основу метода, обеспечивающего сдвигоустойчивость при проектировании дорожной конструкции. Анализ формул, используемых в России и за рубежом для расчета минимальных главных напряжений, показывает, что на поверхности значения этих напряжений превышают величину, при которой материал испытывает компрессиошюе сжатие, а на некоторой глубине минимальное главное напряжение меняет знак и становится растягивающим. Это не соответствует физическим моделям механики зернистой среды. Таким образом, поиск альтернативных способов расчета минимальных главных напряжений и подбор наиболее точного условия пластичности имеет научную актуальность.

Основная идея работы состоит в необходимости обеспечения сдвигоустойчивости грунтов земляного полотна на стадии проектирования дорожных одежд нежесткого типа.

Объектом исследования являются грунты земляного полотна автомобильных дорог.

Предмет исследования — напряженное состояние и пластические свойства грунтовых оснований.

Цель диссертационной работы — повышение сдвигоустойчивости грунтов земляного полотна за счет снижения расчетных значений безопасного давления.

Задачи исследования:

— разработать способ расчета минимальных главных напряжений от нагрузки, распределенной по круглой площадке, при котором по всей глубине напряжения являются сжимающими, а на поверхности слоя или полупространства их значение равно величине, необходимой для компрессионного сжатия;

— выполнить модификацию основных инженерных моделей расчета напряжений (М.И. Якунина, распределяющей способности и др.), позволяющую рассчитывать минимальные главные напряжения;

— усовершенствовать способ расчета грунтов земляного полотна и дискретных материалов дорожных конструкций из условия обеспечения их сдвигоустойчиво-сти по безопасным давлениям;

— произвести экспериментальную оценку для обоснованного выбора условия пластичности на основании испытания материалов в приборах трехосного сжатия;

— произвести экспериментальное исследование распределяющей способности связных грунтов;

— произвести экспериментальное исследование безопасных давлений на грунты земляного полотна.

Методология и методы исследования заключаются в анализе причинно-следственных связей в исследуемом процессе нарушения сдвигоустойчивости фунтов, а также положения теории пластичности, теории предельного равновесия механики грунтов и математической статистики, используемой при обработке опытных данных.

Научная новизна заключается в:

1 совершенствовании способа расчета минимальных главных напряжений, уменьшающихся по глубине от значения на поверхности полупространства, при котором материал испытывает компрессионное сжатие, до величины, соответствующей одноосному сжатию на бесконечности;

2 модификации моделей расчета напряжений А. Лява, М.И. Якунина, распределяющей способности, позволяющей вычислять минимальные главные напряжения таким образом, что по оси симметрии нагрузки возникает:

— в точке на поверхности земляного полотна компрессионное сжатие (а,>а2=стз, ё,>0, е2=е3=0),

— в других точках этого сечения за исключением точки с ординатой, равной бесконечности, осевое трехосное сжатие (а1>ст2=а"з, Е1>82=е3 при £|>0, е2=е3<0),

— в точке расположенной на бесконечности одноосное сжатие (сг|=0, ст2=а3=0, £1>е2=£э при Е]>0, е2=е3=-(1£1);

3 совершенствовании способа расчета дорожных конструкций по критерию безопасных давлений, обеспечивающему сдвигоустойчивость в грунте земляного полотна и дискретных материалах от временной нагрузки;

4 разработке экспериментального способа определения угла рассеивания напряжений, позволяющего оценивать этот параметр грунта по результатам прямых, а не косвенных измерений.

Теоретическая значимость работы состоит в комплексном подходе к проектированию дорожной одежды, позволяющем рассчитать толщину и жесткость ее слоев из условия обеспечения передачи на земляное полотно давления, величина которого не превышает безопасного значения.

Практическая значимость работы заключается в возможности проектировать дорожные одежды нежесткого типа с обеспеченной сдвигоустойчивостью грунтов и дискретных материалов и сохранении ровности автомобильных дорог.

Положения, выносимые на защиту состоят из совокупности уточненных научных положений, на базе которых разработана методика расчета нежесткой дорожной одежды, включающий в себя

— расчет минимальных главных напряжений, уменьшающихся по глубине от значения, соответствующего компрессионному сжатию на поверхности полупространства до величины, соответствующей одноосному сжатию на бесконечности;

— модификацию моделей расчета напряжений А. Лява, М.И. Якунина, распределяющей способности, позволяющей вычислять минимальные главные напряжения;

— способ расчета дорожных конструкций по критерию безопасных давлений, обеспечивающему сдвигоустойчивость грунта земляного полотна в наиболее опасной точке при воздействии временной нагрузки;

— экспериментальный способ определения угла рассеивания напряжений, позволяющий оценивать этот параметр по результатам прямых измерений.

Степень достоверности научных положений, теоретических решений и полученных результатов подтверждается соблюдением основных принципов теории пластичности, теории предельного равновесия механики грунтов, математического и физического моделирования, адекватностью расчетных и экспериментальных данных, полученных при использовании поверенного оборудования аттестованной лаборатории кафедры «СЭД» СибАДИ и обработанных в соответствии с правилами математической статистики.

Личный вклад в решение проблемы заключается в формулировании общей идеи и цели диссертационной работы; в выполнении основной части теоретических и экспериментальных исследований; в анализе и обобщении результатов лабораторных и натурных испытаний.

Реализация результатов исследований осуществлена путем проектирования дорожной конструкции в пределах уширения магистрали общегородского значения ул. 21 - я Амурская в г. Омске. Метод расчета дорожных конструкций по критерию безопасных давлений вошел в стандарт организации ООО Уренгойдор-строй (СТО 2.25.01-2014), вступивший в действие 25.07.2014. Таким образом, результаты исследований используются в проектных и строительных организациях Омской области и Ямало-Ненецкого Автономного округа. Выполнен грант РФФИ (№ проекта 12-08-98008-р_сибирь_а). Материалы исследования используются в учебном процессе СибАДИ при изучении дисциплины «Прикладная механика дорожных конструкций».

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на II Всероссийском дорожном конгрессе (МАДИ 2010 г.), Международных научно-технических конференциях в СибАДИ (2010-2012 г.), а так же на Международной научно-практической конференции ПНИПУ (ПЕРМЬ 2013 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 работ, в том числе 8 работ в российских рецензируемых научных журналах.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Результаты исследования изложены на 184 страницах основного текста, включающего 64 рисунка, 64 таблицы, список литературы включает 194 наименования; объем приложений - 53 страницы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложена общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрено и проанализировано состояние вопроса.

Действующие нормативные документы регламентируют производить проверку сдвигоустойчивосгн в грунте земляного полотна и в слабосвязных материалах дорожных одежд. В основе этого метода лежит условие пластичности Кулона - Мора.

Необходимо отметить, что при трехосных испытаниях грунтов предельное состояние по условию Кулона - Мора возникает при деформации образца на 15-20 % при испытаниях по стандартам РФ или США. То есть, при высоте образца 10 см, предельное состояние по этому условию наступает при деформации 15-20 мм, что превышает требования СНиП 78.13330.2012 и ОДН 218.006-2002 к ровности дорожных покрытий. Отсюда следует вывод о том, что глубина неровностей, формирующихся на покрытии, выходит за рамки допускаемых пределов раньше, чем наступает предельное состояние по условию Кулона-Мора. В настоящее время известно достаточно большое количество условий пластичности: Друкера - Прагера, Ладе, Ладе - Дункана, Матцуока - Накаи, Granta-Cravel, оригинальная и модифицированная модель Cam Clay и многочисленные ее модификации (Norsand и т.п.), различные модификации критерия Кулона - Мора и др. Испытания грунтов трехосным сжатием позволяют сравнивать предельные значения главных напряжений с данными эксперимента. Кроме того, имеется возможность сопоставления предельных напряжений по различным условиям пластичности с величиной деформаций при трехосном сжатии.

Выполнен анализ методов расчета напряжений, которые нами условно разделены на три группы: методы механики сплошной среды, методы механики зернистой среды и инженерные способы.

К методам механики сплошной среды отнесены решения, полученные решением задач линейной теории упругости, выполненные в напряжениях или смешанным способом. В этом ряде анализировались решения Буссинеска, в том числе с поправкой Фрелиха, Фламана, А. Лява, Мичелла, Флорина и др.

К методам механики зернистой среды отнесены вероятностные модели расчета напряжений И.И. Кандаурова, P.A. Муллера, М.П. Болштянского и т.д.

К инженерным способам относятся формулы М.И. Якунина и различные модификации модели распределяющей способности Е. Головачева, в которых угол рассеивания напряжений связывается с различными параметрами прочности и деформируемости грунтов. Отличительной чертой этих моделей является отсутствие возможности рассчитывать минимальное главное напряжение, что делает невозможным применение инженерных способов для решения задач о сопротивлении сдвигу, так как при cfz=O3=0 все условия приобретают вид первой теории прочности.

В РФ и за рубежом для расчета максимального главного напряжения по оси симметрии нагрузки, распределенной по поверхности гибкого круглого штампа, применяют формулу А. Лява:

гдер — давление штампа на грунтовое основание, Па; О — диаметр штампа, м; г - расстояние от поверхности полупространства до точки, в которой определяется напряжение и

4-1,5

(1)

расположенной на вертикальной оси, проходящей через центр круглого штампа, м.

Для расчета величины минимальных напряжений используют формулу:

1+2 ц 1+ц 1

где ц - коэффициент Пуассона; И - радиус штампа, м.

O iмч и ;c.;b)iii:i характеристика на«рйжеткич> счхгмянля Oi/p, oi/ри

-0,2

ÜA

U

я О ш

I 9,5

I J

S

I V

§ ^

I ~

I 2,5

0,8

-ш -О —^ \2 j

ja

/

? / ■ л

/

5 I/

1 и 2 — максимальное и минимальное главные напряжения с?|/р и стз/р; 3 - девиатор напряжений (Ст|-<тз)/р; 4 — относительная величина минимального главного напряжения, при которой имеет место компрессионное сжатие. Рисунок 1 - Характеристики напряженного состояния в сечении по оси симметрии нагрузки

Отличительными особенностями формулы (2) от других решений механики сплошной среды является:

- в верхней части полупространства величина минимальных главных напряжений превышает значения, при которых материал испытывает компрессионное сжатие.

- на некоторой глубине минимальные главные напряжения меняют знак, становятся отрицательными, то есть из сжимающих превращаются в растягивающие.

Первая из отмеченных нами особенностей не соответствует данным экспериментальных исследований, показывающих, что

область грунта, расположенная непосредственно под гибким штампом или гибкой плитой, испытывает компрессионное сжатие, то есть работает без возможности бокового расширения в сечении по оси симметрии нагрузки.

Вторая особенность противоречит как экспериментальным данным, так и другим решениям механики сплошной среды. Так, например, в представлении Мичел-ла минимальные главные напряжения имеют положительные значения вплоть до бесконечности.

Выполнен анализ способов расчета грунтовых оснований по безопасным давлениям Н.П. Пузыревского, H.H. Маслова, В.Г. Березанцева, И.В. Яропольского, А.Н. Баданина, А.К. Бугрова, A.M. Караулова, A.B. Кротова и др., которые базируются на методе предельного равновесия. При выводе большинства формул для расчета безопасного давления за основу в расчете принимают условие пластичности Кулона - Мора, а главные напряжения определяют по Мичеллу. Так как решение Мичелла предназначено для расчета главных напряжений от нагрузки, распределенной по бесконечной полосе, то эти формулы можно применять в расчетах дорожных конструкций только как приближение.

Представленный анализ подтверждает актуальность поставленных нами задач.

Во второй главе выполнено решение первых трех задач исследования.

В дополнение к нормативному критерию расчета дорожных одежд по сопротивлению сдвигу предлагается условие, суть которого критерия заключается в

сравнении давлений, воспринимаемых земляным полотном, р0 с безопасными давлениями ре, а выражение имеет вид:

Ре/Ро^«,, (3)

где К„р — коэффициент прочности, принимаемый таким же, как и в нормативных методах расчета по касательным напряжениям.

Для решения задачи о безопасных давлениях на грунты земляного полотна автором совместно с А.С. Александровым и Д.В. Юрьевым предложен новый способ расчета минимальных главных напряжений. Минимальные главные напряжения рассчитываются по формуле:

ст2 =ст3 =а-£-ст1, (4)

где а — коэффициент, характеризующий степень бокового расширения; ^ — коэффициент бокового давления.

Значение коэффициента а определяется функцией, убывающей по глубине от единицы на поверхности и до нуля на бесконечности. Значение коэффициента а определяется по формуле:

а = 1-ф-К1 , (5)

где Кг - коэффициент затухания (уменьшения) вертикального напряжения от равномерной нагрузки под осью ее симметрии (так как по оси симметрии нагрузки оси г, х, у совпадают с главными 1,2 и 3, то К\ является коэффициентом затухания максимального главного напряжения по глубине).

Из анализа (4) и (5) следует, что при их применении становится возможной модификация любой модели, предназначенной для расчета напряжений. Суть такой модификации состоит в том, что максимальное главное напряжение вычисляется по оригинальной формуле, например М.И. Якунина, а минимальное — по (4) с применением (5), в которой коэффициент затухания К, представляет собой функцию уменьшения максимального главного напряжения по глубине, принятую по оригинальной модели.

Модифицированные таким образом модели приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Формулы для расчета главных напряжений

Автор оригинальной модели Формулы модифицированной модели

1 2

А. Ляв =Ро к = Ро ■ С г ^ -\2У'5

Н'ШГ] —> )

М.И. Якунин

= Ро Рп

1 + а-

D \Епе

К--

1 + а-

W

D VE,

. Pt." М

1-м

1 + а-

is D МЕГ.Г

Y1 (

) \ 1- V

1 + а-

В»

\2 V

D V Е,

Общепринятая модель распределяющей способности

2-2

=Л'I' + -7—-tga ,

On J 1-м

1-Jl-ll + ^-tga.

Примечания: 1 - В модели М.И. Якунина а — коэффициент концентрации, принимаемый равным

1 (для нежестких дорожных одежд) или 2,5 (для упругих изотропных тел); с - показатель степени радикала, обычно принимаемый равным 2,5 или 3; и - соответственно модуль упругости материала слоя и модуль упругости подстилающего основания, Па.

2 — В модели распределяющей способности а„ — угол рассеивания напряжения (иногда называют углом распределения давлений), град. _

В модифицированной модели распределяющей способности угол рассеивания напряжений может определяться по Е. Головачеву («„ равен углу естественного откоса), по A.C. Александрову (аст определяется долей угла внутреннего трения, который для одного круга является углом Лоде, и тем самым, определяет наклон площадки скольжения), Дж. Ленга (а„ определяется из условия равенства максимальных напряжений по общепринятой модели распределяющей способности и решения Бурмистра), Дж. П. Гироуда и Л. Нойрая, Б.М. Коте, P.M. Коернера (а„ определяется через сопротивление недренированному сдвигу). Используя эти представления угла рассеивания напряжений, можно получить ряд модифицированных моделей распределяющей способности.

В качестве критерия пластичности рассмотрим возможность применения условия Кулона — Мора, которое можно записать в виде:

1 - - .tg<p.:^i = c; = (6)

2 Vi

+ sinq)

С05ф 2 2 ^ 1 - 5Шф

где ф — угол внутреннего трения, град; с — сцепление, Па.

Г.К. Арнольд пришел к выводу, что критерий Кулона — Мора можно

представить в виде:

1 + sin9

(7)

1 - втф

Сравнивая вторую формулу (6) с (7), несложно убедиться, что касательное напряжение (левая часть формулы) в оригинальном критерии Кулона — Мора меньше, чем в (7). Отсюда следует, что применение (7) приведет к проектированию более жестких конструкций по сравнению с (6).

Подстановка в (7) зависимости (4) и (5) приводит к формулам:

2 ( 1 — Бшср ь) ' 2

1 + БШф

4 =с. (8)

1 —вшср

В выражении (8) в качестве неизвестного осталась функция изменения по глубине максимального главного напряжения и коэффициент его затухания К,. Зависимость (8) удобна тем, что любую функцию а, можно представить в общем виде:

(9)

где ¿ии — номер и общее количество слоев дорожной одежды, расположенных выше рассматриваемого элемента конструкции (земляного полотна); '¿тах — максимальная глубина распространения неустойчивых областей, м; Ъ, - толщина /-го слоя, м; у, и у - вес материала /'-го слоя и грунта, расположенного в пределах неустойчивой области, Н/м3.

Подставляя (9) в (8) и решая (8) относительно р, получим зависимость для расчета безопасного давления. В соответствии с этим решением безопасное давление определяется по формуле:

( /

2-е

1 —5Шф 1 +зш<р

1 —БШф ^-Ух-Л^-ц!

1 + вШф 1 —ц

■(10)

Максимальная глубина распространения неустойчивых областей получается при определении угла видимости нагрузки ав по формуле:

а„=0,5-71-<р. (11)

где ов угол видимости нагрузки, определяемый в решении Мичела, град.

Тогда определение относительной глубины распространения неустойчивых областей выполняется по формуле:

1 (12)

(И}

Формулы (10) и (12) позволяют рассчитывать безопасные давления для условия Г.К. Арнольда, используя любую из моделей, применяемых для расчета напряжений по оси симметрии нагрузки.

При использовании модели А. Лява расчет коэффициента К1 для глубины '¿тах выполняется по формуле:

|+ШТ -Ми)Г (13)

1-

При привлечении для определения безопасных давлений модели М.И. Якунина коэффициент Л" для глубины рассчитывается по формуле: ( / ,--мл-1 (

К,=

1 + а

1 +

,(14)

На рисунке 2 приведены вычисленные по формуле (10) безопасные давления при определении коэффициента затухания К1 по модифицированной модели А. Ля-ва. Расчет безопасных давлений выполнен для двух значений коэффициента Пуассона (ц=0,3 - супеси и ц=0,35 — суглинки). Для упрощения расчетов величина соб-

ственного веса грунта и веса слоев дорожной одежды не учитывалась, то есть условно принято, что '{'2„ах=0 и Еу, /г=0.

^ 0,27 ——---- " "

Й0Д4 у

¡0,1»

я*

20,15

а 0,12

0

О 10 20 30 40 0 1» 28 51) 40

Угол »нутренкего цкиии, градусы. Укш внутреннею хреиая, градусы.

1 -4 —при сцеплении равном 0,005; 0,01; 0,02 и 0,03 МПа соответственно.

Рисунок 2 — Безопасные давления по формуле (10) при применении модифицированной

модели А. Лява (таблица 1)

На рисунке 3 приведены результаты расчета безопасных давлений по зависимости (10), но при расчете главных напряжений по модифицированной модели М.И. Якунина.

Из анализа данных рисунков 2 и 3 следует, что при использовании для расчета главных напряжений любой модифицированной модели безопасные давления возрастают, как при увеличении параметров предельной прямой Кулона — Мора, так и при увеличении коэффициента Пуассона. Такая зависимость величины безопасного давления от коэффициента Пуассона объясняется увеличением минимального главного напряжения сг3. Причем такая тенденция соответствует экспериментальным данным, согласно которым в песках имеет место ярко выраженная зона выпора, а в глинах эта зона при тех же давлениях может быть едва различима.

1 -4 —при сцеплении равном 0,005; 0,01; 0,02 и 0,03 МПа соответственно.

Рисунок 3 — Безопасные давления по формуле (10) при применении модифицированной модели М.И. Якунина (табл. 1)

Отличительной особенностью формулы (10) от своих аналогов является расположение наиболее опасной точки внутри земляного полотна на расстоянии '¿тах от его поверхности по оси симметрии нагрузки. Кроме того, (10) содержит три параметра материала, ср, с, и а не два.

В третьей главе выполнены испытания грунтов трехосным сжатием.

Образцы изготавливали в приборе стандартного уплотнения в соответствии с требованиями ГОСТ 22733-2002. Из изготовленного образца отбирали 3 пробы грунта для испытаний в стабилометре. Из однородного объема грунта с одинаковыми показателями физических свойств изготавливали три образца, из которых отбиралось 9 проб. Шесть проб наилучшего качества отбирались для дальнейших испытаний, а три образца отбраковывались. Причиной отбраковки проб являлось наличие дефектов на их поверхности. Из выбранных шести проб три образца испы-тывались по схеме консолидированно-недренированных (КН) испытаний, целью которых является определение сцепления и угла внутреннего трения грунта. Другие три образца подвергались неконсолидированно-недренированным (НН) испытаниям для построения зависимости вертикальной деформации от главных напряжений. Эти испытания необходимы для определения величины деформации, которой соответствует предельное значение максимального главного напряжения, вычисляемое из условий пластичности по формулам (6) и (7). Испытания образцов выполнены при помощи измерительного вычислительного комплекса АСяС-1. В комплект комплекса входит камера трехосного сжатия тип Б, предназначенная для реализации испытаний с траекториями нагружения сг,>а2^ст2 (рисунок 4).

Выполнение КН испытаний в приборе трехосного сжатия позволило определить углы внутреннего трения и сцепления для каждой испытуемой группы образцов. Группы состоят из 3 образцов, которые по плотности и влажности соответствуют такой же группе образцов, испытуемых по схеме НН испытаний.

По каждой схеме (КН и НН) испытано 12 групп образцов общим количеством

36 проб, из которых 33 образца изготовлены в лаборатории, а 3 образца отобраны на дороге Петровка-Калиновка. Определение параметров предельной прямой Кулона-Мора выполнено в соответствии с ГОСТ 12248-2010.

НН испытания проводились в соответствии с ГОСТ 12248-2010. По данным этих испытаний построены зависимости осевых деформаций от главных напряжений. Отказ образца наступал либо в результате разрушения образца (рисунок 5), либо при достижения

Анализ данных показал, что независимо от характера разрушения образца зависимость деформаций от максимальных главных напряжений нелинейная и состоит из

Рисунок 4 — Испытания образца в стабилометре

предельной деформации 15 % (рисунок 6).

трех характерных участков. Первый и второй участок представляются, как кусочно-линейная зависимость, третий же участок можно описать только нелинейной функцией. Аппроксимация первых участков линейными функциями приведена на рисунках 5 и 6. На этих рисунках показаны экспериментальные и приближенные зависимости относительной продольной деформации от максимальных главных напряжений. В этом виде графическая зависимость имеет три характерные точки. Первая и вторая точки являются точками перелома с той разницей, что первая точка разделяет прямые отрезки, а вторая - отделяет эти прямолинейные отрезки от третьего нелинейного участка. Третья точка показывает величину предельного максимального напряжения.

Деформация, соответствующая первому участку, варьируется в пределах 0,3 — 2 %, такие деформации в основном являются обратимыми (упругими). Следовательно, абсцисса точки, которая ограничит первый участок, может считаться приближенным пределом обратимой деформации р[)6. Абсциссу второй точки, отделяющей кусочно-линейный график от нелинейного участка ( рисунок 5), можно назвать приближенным пределом линейности деформаций ре. Абсцисса третьей точки является абсолютным пределом прочности ( рисунок 5) или условным пределом текучести (рисунок 6). Абсцисса этой точки для обоих случаев отказа образца нами обозначена одинаково и указывает предельную величину максимального главного напряжения, при возникновении которого при заданном <т3 происходит отказ образца.

Анализ результатов испытаний показал, что предельные максимальные напряжения, получаемые из оригинального условия пластичности Кулона - Мора (6), наилучшим образом соответствуют экспериментальным значениям р^,. Из 36 испытаний 7 показали большое расхождения 15 % и более, а в оставшихся 29 испытаниях расхождения лежат в пределах от (минус) 2 % до 13,6 %.

Максимальное главное напряжение оя, МП&

|>»6 р« реж

Рисунок 5 - Зависимость относительной продольной деформации в] образцов № 1-3 от величины напряжений О] и аз

Шкштимвежвте яаршвк щ, МПа

Рисунок 6 - Зависимость относительной продольной деформации Si образцов № 16-18 от величины напряжений cri и аз

Предельные максимальные напряжения, вычисляемые из зависимости (7), лучше всего согласуются с ре. В этом случае только 3 испытания имеют существенные расхождения, а остальные 33 показывают, что (7) позволяет определять ps с вполне удовлетворительной точностью.

Для оценки возможности применения формулы (10) при расчете безопасных давлений, воспринимаемых грунтом земляного полотна, на построенных насыпях дороги Петровка - Калиновка была проведена серия штамповых испытаний.

Для исключения деформаций, связанных с интенсивным уплотнением грунта в зоне формирования ядра под жестким круглым штампом, было реализовано однократное нагружение до величины 0,1 МПа и выдержка этой ступени до наступления условной стабилизации деформации. После чего производилась разгрузка и отдых основания до стабилизации деформации упругого последействия. Затем выполнялись штамповые испытания.

Всего было испытано 6 точек, каждая из которых находится на расстоянии 15 м от предыдущей. Целью испытания являлось определение экспериментальной величины безопасного давления. Под этой величиной понимается давление, при котором наблюдается переход от линейных осадок (стадия уплотнения) к нелинейным деформациям (стадия сдвигов).

По завершению штамповых испытаний из грунтового массива отбирались пробы для определения параметров с и ф при трехосных испытаниях, выполненных при помощи АСиС-1. Результаты определения параметров грунта и безопасных давлений приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты расчета безопасных давлений по формуле (10) с использованием модифицированной модели А. Лява и экспериментальные данные

№ испытания Параметры условия грунта Безопасные давления, МПа

с, МПа (р, град. Данные эксперимента Расчет по формуле (10)

I 0,022 29 ОД 39 0,133

2 0,024 27 0,139 0,138

3 0,020 29 0,124 0,121

4 0,025 26 0,139 0,140

5 0,020 26 0,124 0,112

6 0,021 25 0,124 0,115

Из анализа табл. 2 следует, что результаты расчета по формуле (10) в достаточной степени соответствуют экспериментальным данным, имея отклонения от них -1% до 11%.

В четвертой главе выполнены экспериментальные исследования распределяющей способности грунтов.

Согласно общепринятым представлениям в моделях распределяющей способности рассеивание вертикального нормального напряжения происходит за счет перераспределения нагрузки на возрастающую по глубине площадь. Эта особенность иллюстрируется на рисунке 8 тем, что увеличение диаметра площадки, по которой распределяется нагрузка !Хт(1), обусловлено значением глубины и величиной угла рассеивания напряжения а,,.

Несмотря на широкую известность этой модели, до настоящего времени нет единой методики экспериментального определения углов рассеивания напряжений Анализируя расчетную схему, представленную на рисунке 8, нетрудно заметить, что для определения величины угла рассеивания напряжения а„ достаточно рассматривать прямоугольные треугольники АВ,С\ или ЛВ2С2, в которых необходимо определить значения катетов 2, и или 7.г и В2С2.

Рисунок 8 - Схема рассеивания (уменьшения) нормального вертикального напряжения по глубине земляного полотна

Значения катетов В у С, и В2С2 определяются половиной разностей диаметров распределения нагрузки на соответствующей глубине Д3„(г) и на поверхности земляного полотна Д„. Таким образом, угол рассеивания напряжения представляет собой функцию глубины 2 и диаметров площадок (А„(г)- 0зп)/2

Суть предлагаемого нами способа заключается в изготовлении грунтовых моделей, внутри которых заложен бумажный вкладыш, и в последующем вдавливании в модель жесткого круглого штампа.

После вдавливания штампа в модель производят измерения диаметров дефектов на поверхности модели (рисунок 9) и на вкладыше, заложенном на некоторой глубине (рисунок 10).

На рисунках 9 и 10 приведены диаметры дефектов на поверхности песчаной модели и на вкладыше расположенном на глубине 13 мм.

В этом случае значение угла па определяется по формуле:

. Дп(г)_ДП /1ГЧ

а„- = агс'ё—-> (15)

где 0,п<2) — диаметр дефекта бумажного вкладыша, заложенного на глубине при ¿-ом измерении, мм; От - диаметр штампа, при помощи которого выполнено данное испытание, мм; 2, - глубина заложения бумажного вкладыша при данном испытании, мм.

Такие же испытания были проведены с глинистыми грунтами. Первое же испытание образца глинистого грунта (суглинок легкий) показало, что бумажный вкладыш прилипает к верхней и нижней поверхности, а при выемке излишков грунта расслаивается.

Рисунок 9-Осадочная лунка на поверхно- ^ 10_ Осадочная лунка внутри песка

ети, образованная вдавливанием штампа

Поэтому автор изменил технологию изготовления модели. В моделях из глинистого грунта на одном горизонте закладывали три бумажных вкладыша. Верхний и нижний вкладыши выполненные из бумаги низкой плотности, предназначены для впитывания излишней влаги, отжимаемой из грунта при изготовлении модели и вдавливании в нее штампа. Средний вкладыш из более плотной бумаги предназначен для измерения дефектов.

При выемке суглинка из верхней части моделей выяснилось, что вследствие связности верхний слой отделяется от нижней части модели полностью. К нижней поверхности верхней части модели прилипает верхний вкладыш из менее плотной бумаги, дефект которого копирует Дефект на поверхности среднего вкладыша.

, 4 '' Верхнюю часть модели разрезали,

...........¡»»им-., 11 " ......что позволило одновременно увидеть

*!.«>,"'У' "Ч,;^»* осадочные лунки на поверхности модели

непосредственно под штампом и на некотором расстоянии от этой поверхности, соответствующем глубине заложения бумажного вкладыша (рисунок 11). ' „', , ' , ]* - >- -, ''''.-У. щ Для каждой разновидности грунта,

■мя имеющего одно и то же состояние по Рисунок 11 - Разрез верхней части образца плотности и влажности, получено по 200 частных значений углов рассеивания напряжений. Используя методы математической статистики, выборки проверены на наличие грубых ошибок, а также на нормальность распределения. Использованные статистики и критерии согласия Лотара Закса, выборочного коэффициента вариации, несмещенных оценок показателей асимметрии и эксцесса, Пирсона, В.И. Романовского и Б.С. Ястремского показали, что гипотезу о нормальном распределении можно принять на уровнях значимости 0,05 ... 0,02, а значит, определить истинное значение с вероятностью 95 ... 98%.

В пятой главе выполнено сравнение одинаковых конструкций дорожных одежд, запроектированных по нормативному методу (ОДН 218.046-01) и предлагаемому способу расчета. Проблема заключается в том, что конструкции типов а (ОДН 218.046-01) и б (предлагаемый способ) имеют одинаковую работоспособность, которая характеризуется одинаковым числом расчетных нагрузок, но до наступления предельного состояния по разным условиям пластичности (Кулона Мора - для типов а, Арнольда для типов б).

Вследствие этого под работоспособностью мы будем понимать число нагрузок, которые необходимо приложить до наступления предельного состояния по одному условию пластичности, в качестве которого принято условие Арнольда. Работоспособность дорожных одежд типа б известна и составляет для вариантов 16-46 5 105 расчетных единиц, а для вариантов 56-86 106 расчетных единиц. Для выяснения работоспособности конструкций типа а ее необходимо рассчитать по предлагаемому критерию безопасных давлений.

В этом случае необходимо принять иную последовательность расчета:

1 - Вычисление давлений, передаваемых конструкциями, запроектированными по ОДН 218.046-01, на грунты земляного полотна.

2 - Расчет безопасных давлений при варьирующемся числе суммарных нагрузок, в зависимости от которого интерполируются значения сцепления и угла внутреннего трения.

3 — Определение коэффициента прочности.

4 - Условием окончания расчета является равенство коэффициента прочности единице. Принятая в зависимости от суммарного числа расчетных нагрузок пара

параметров предельной прямой Кулона — Мора позволяет определить работоспособность в виде этого суммарного числа нагрузок.

В результате было установлено, что конструкции типов б имеет работоспособность в 2,5 — 7 раз выше по сравнению с числом нагрузок, которые необходимо приложить до наступления предельного состояния по условию Арнольда в конструкциях типов а. На основании этого был сделан вывод об эффективности предлагаемого метода и расчетах сметной стоимости конструкций типов «а» и «б».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Предложен способ расчета нежесткой дорожной одежды, заключающийся в подборе материалов и определении толщины слоев таким образом, что передаваемые на земляное полотно давления не должны превышать безопасную величину, при которой в наиболее опасной точке земляного полотна возникает предельное состояние по условию пластичности, положенному в основу расчета.

2. Разработан способ расчета минимальных главных напряжений произведением максимального главного напряжения, коэффициента бокового давления и нового коэффициента а, являющегося функцией глубины. Величина этого коэффициента изменяется от 1 на поверхности до нуля на бесконечности. В результате такого нового представления на поверхности полупространства грунт испытывает компрессионное сжатие, а во всех остальных точках оси симметрии испытывает трехосное сжатие с увеличивающейся по глубине степенью бокового расширения. На бесконечности значение коэффициента а=0, а степень бокового расширения достигает максимума, характеризуемого коэффициентом Пуассона. В этом случае грунт испытывает одноосное сжатие.

3. Новый способ расчета минимальных главных напряжений позволил модифицировать модели М.И. Якунина и распределяющей способности таким образом, что появилась возможность определять не только максимальное главное напряжение но и минимальное главное напряжение ст3.

4. Выполнен анализ критериев прочности и условий пластичности твердых (монолитных) и дискретных материалов. В ходе анализа установлено, что для проверки сопротивления грунтов земляного полотна сдвигу условие Кулона-Мора целесообразно заменить его модификацией, выполненной Г. Арнольдом.

5. В результате испытаний трехосным сжатием 36 образцов из суглинка легкого, установлена необходимость замены оригинального условия Кулона-Мора, модифицированньм условием Кулона-Мора, полученным Г. Арнольдом.

7. Автором дана экспериментальная оценка безопасным давлениям, рассчитанным из двух условий пластичности Кулона-Мора и Арнольда, в которых главные напряжения определялись по модифицированным моделям А. .Лява, М.И. Якунина и распределяющей способности. Установлено, что если давление, передаваемой на земляное полотно, равно безопасному давлению, рассчитанному из условия Г. Арнольда, то при определении главных напряжений по модифицированной модели А. Лява суглинок легкий работает в стадии уплотнения.

8. Разработана новая методика исследования распределяющей способности грунтов. Суть методики заключается в изготовлении грунтовых моделей, внутри которых заложен бумажный вкладыш, и в последующем вдавливании в модель же-

сткого круглого штампа. Далее выполняется изъятие грунта из верхней части модели до обнажения бумажного вкладыша. После этого выполняются измерения диаметра дефекта на вкладыше и глубины его заложения от поверхности модели. По результатам измерений вычисляется угол рассеивания напряжений. Для обработки данных применены методы математической статистики, позволяющие получать адекватные значения исследуемой характеристики.

Перспективы по дальнейшей разработке темы могут заключаться в совершенствовании модели распределяющей способности, состоящей в уточнении местоположения наиболее опасной точки для выбранного условия пластичности и экспериментальном определении угла рассеивания напряжений в конструкции армированной геосинтетическими материалами, что позволит расширить область применения предлагаемой методики.

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИОШЮЙ РАБОТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В журналах н изданиях перечня ВАК

1. Александров А С. Исследование вертикальных напряжений в земляном полотне с учетом распределяющей способности грунтов/ А С. Александров, Н.П. Александрова, Н.В. Кузин, Г.В. Долгих // Транспортное строительство/ ООО «Цешр Трансстройиздат». - Москва: ООО «Цегпр Транс-стройиздат», 2010. - №. 8. - С. 18-24.

2. Александров А С. Учет кратковременного и повторного характера приложения подвижной нагрузки в инженерных методах расчета остаточных деформаций грунтов и дискретных материалов дорожных конструкций/ А С. Александров, Г. II. Долгих// Вестник Московского автомобильно-дорожного государственного технического университета/ МАДИ - Москва: МАДИ, 2011. - Вып. -4(27) - С. 81-87.

3 Александров А С. Расчет главных напряжений в слоях дорожных конструкций из дискретных ' материалов / А С. Александров, Г.В. Долгвх, Д.В. Юрьев // Транспортов строительство/ ООО «Центр Трансстройиздат». - Москва: ООО «Центр Трансстройиздат», 2011. - № 8. - С. 17 - 22.

4. Александров А С. О допустимых давлениях на грунты земляного полотна и слои дорожных одежд/ А С. Александров, Г.В. Долгих, А Л. Калинин// Наука и техника в дорожной отрасли/ Издательство Дороги. - Москва: Издательство Дороги, 2012. - № 2 (61). - С. 10 -13.

5. Александров А С. Модифицированные модели для расчета главных напряжений в дорожных конструкциях из дискретных материалов/ А.С.Александров, Н.П Александрова, Г.В. Долгих// Строительные материалы/ Рекламно-издательская фирма «Стройматериалы». - Москва: Рекламно-издательская фирма «Стройматериалы», 2012. - № 10. - С. 14 -17.

6. Александров А С. Применение критерия Друкера - Прагера для модификации условий пластичности/ А.С. Александров, Г.В. Долгих, А Л. Калинин// Наука и техника в дорожной отрасли/ Издательство Дороги. - Москва: Издательство Дороги, 2013. - Вып. 2 (65). - С.26-29.

7. Долгих Г.В. Расчет грунтов земляного полотна по критерию безопасных давлений/ Г.В. Долгих // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии / СибАДИ. - Омск: СибА-ДИ, 2013. - Вып. 6 (34). - С.43-49.

8. Семенова Т В. Применение Калифорнийского числа несущей способности и динамического конусного пенетрометра для оценки качества уплотнения грунта /Г.В. Семенова, Г.В. Долгих, Б.Н. Полугородник// Вестник Сибирской государственной автомобилыю-дорожной академии / СибАДИ. - Омск: СибАДИ, 2014. - Вып. 1 (35). - С.59-66.

Доклады на Всероссийских и международных конференциях и конгрессах

9. Александров A.C. О распределяющей способности грунтов земляного полотна/ A.C. Александров, Н.П. Александрова, Г.В. Долгих // Второй Всероссийский Дорожный Конгресс: сб. науч. тр. / МАДИ, МОО «Дорож. Конгресс». - Москва: МАДИ, 2010. - С. 198 - 206.

10. Долгих Г.В. Экспериментальная оценка распределяющей способности глинистых грунтов/ Г.В. Долгих // Всероссийская 65-я научно-техническая конференция ФГБОУ ВПО «СибАДИ». -Омск: ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2011. - С. 48 - 54.

11. Александров A.C. Модификация критериев прочности сплошной среды для расчета грунтов земляного полотна по сопротивлению сдвигу/A.C. Александров, Г.В. Долгих, АЛ. Калинин // Международный конгресс ФГБОУ ВПО «СибАДИ». - Омск: ФГБОУ ВПО «СибАДИ», 2013. - С. 228-235.

12. Александров A.C. Один из путей совершенствования расчета дорожных одежд по условию сопротивления сдвигу в грунте земляного полотна/ A.C. Александров, Г.В. Долгих, А Л. Калинин // Международная научно-практическая конференция «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» ФГБОУ ВПО «ПНИПУ ».-Пермь: ФГБОУ ВПО «ПНИПУ», 2013. Том-3. - С. 9-22.

ДОЛГИХ ГЕННАДИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

РАСЧЕТ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ПО КРИТЕРИЮ БЕЗОПАСНЫХ ДАВЛЕНИЙ НА ГЛИНИСТЫЕ ГРУНТЫ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Подписано к печати 18.11.2014 Формат 60x90 1/16. Бумага писчая. Оперативный способ печати. Усл. п. л. 1,5 Тираж 150 Заказ № 311

Отпечатано в отделе оперативной полиграфии ИПЦ «СибАДИ» г. Омск, пр. Мира, 5