автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Разработка методов и технологии ускорения осадок земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах

На правах рукописи

ДОЛГОВ Денис Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И ТЕХНОЛОГИИ УСКОРЕНИЯ ОСАДОК ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ

(05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и

транспортных тоннелей)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени доктора технических наук

25 СЕН 2014

МОСКВА - 2014

005552810

005552810

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)».

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

главный научный сотрудник Яромко Вячеслав Николаевич (Белорусский дорожный научно-исследовательский институт «БелдорНИИ»)

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительство и эксплуатация автомобильных дорог» Подольский Владислав Петрович (ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»)

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобильные дороги» Ярмолинский Аполенар Иванович (ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет»)

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие «Российский дорожный научно-исследовательский институт» (ФГУП «РОСДОРНИИ»)

Защита состоится «16» октября 2014 г. в 10°° часов на заседании диссертационного совета Д.212.126.02 при ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)» по адресу: 125319, Москва, Ленинградский проспект, 64., ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ и на сайте wvvw.madi.ru

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять в адрес диссертационного совета. Копию отзыва просим присылать по e-mail: uchsovet@madi.ru.

Автореферат разослан «_»_2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. тех. наук, проф.

Н.В. Борисюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Актуальность темы обоснована современными научными исследованиями, практикой расчета дорожных конструкций и требованиями технических регламентов по безопасности инженерных сооружений, выполнение которых для земляного полотна на слабых (связных, переувлажненных глинистых) грунтах всегда является новой научно-практической проблемой.

Развитие конструкций и строительных технологий, применяемых при возведении земляного полотна автомобильных дорог, связано с применением системных комплексных научных, методических и технологических исследований. Особенно актуальным это становится в районах распространения слабых грунтов, в первую очередь, в Нечерноземье и Западной Сибири.

Одной из причин повышенной деформации земляного полотна на всех стадиях его жизненного цикла (проектирование, строительство, эксплуатация) является недостаточный учет процессов изменения физических и механических характеристик слабого основания. Такие участки автомобильных дорог имеют многолетние деформации и, как следствие, повышенные расходы на содержание и ремонт.

Длительная продолжительность процесса и незавершенная осадка оснований непосредственно влияют на динамику состояния насыпей во время эксплуатации. Необходима новая методология разработки конструктивно-технологических решений при проектировании и строительстве земляного полотна, которая позволит существенно сократить продолжительность осадки и обеспечит достижение таких уровней, при которых будет обеспечена стабильная эксплуатация как самого основания, так и земляного полотна.

Сокращение длительности осадок земляного полотна на слабых грунтах позволит значительно сократить сроки возведения автомобильных дорог, снизить их стоимость, повысить качество, надежность и долговечность.

Поставленная проблема актуальна и с теоретико-методических позиций исследования физических и механических процессов консолидации связных грунтов при различных видах воздействия - динамическом, статическом и комплексном. Теоретическое обоснование связано с необходимостью создания структурно-физических, физико-химических, термодинамических моделей поведения связных и несвязных грунтов.

Объект исследования: земляное полотно на слабом основании из переувлажненных глинистых грунтов (связных грунтов).

Цель работы: создание теоретических основ, разработка методов и технологий интенсивной осадки земляного полотна на слабых грунтах с управляемыми кинетическими характеристиками, обеспечивающими сокращение срока строительства и заданные эксплуатационные характеристики основания земляного полотна.

Задачи работы:

1. Исследовать процессы консолидации грунтов основания земляного полотна с управляемыми кинетическими характеристиками.

2. Разработать критерии и методы оценки уровня консолидации грунтов основания земляного полотна.

3. Установить закономерности изменения показателей консолидации связных грунтов при динамическом воздействии.

4. Разработать модели природного основания как естественной среды, находящейся под воздействием строительной нагрузки и при этом сохраняющей взаимодействие с пограничными средами.

5. Разработать концепцию и механизмы ускоренной консолидации грунтов, позволяющие сформировать новые эффективные технологии воздействия на слабые грунты.

6. Разработать новую технологию, позволяющую ускорить осадки дорожного земляного полотна на слабых грунтах.

7. Разработать перспективные методы мониторинга основания земляного полотна в условиях применения новой технологии ускорения консолидации грунтов природного основания.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы физического и инженерного моделирования, методы математического анализа. Для обработки и анализа экспериментальных данных использовались статистические и вероятностные методы.

Достоверность результатов. Обоснованность научных положений, рекомендаций и выводов подтверждается правомерностью принятых исходных данных и предпосылок, использованием общепринятых методов моделирования с привлечением классических методов теории механики грунтов, практической реализацией конструктивно-технологических решений, ускоряющих осадку земляного полотна автомобильных дорог.

Достоверность результатов подтверждается экспериментальными исследованиями параметров, влияющих на скорость и процесс осадки земляного полотна. Подтверждено соответствие выдвинутых в работе гипотез с реальными физическими процессами, возникающими в процессе осадки земляного полотна на слабом основании.

Достоверность результатов диссертационной работы подтверждена положительными результатами их внедрения в научных, проектных и строительных организациях транспортного строительства, в том числе при строительстве и реконструкции автомобильных дорог.

Научная новизна. Разработаны теоретические основы оценки состояния слабых грунтов при техногенном воздействии и новая технология, включающая структурно-физические, гидродинамические и физико-химические методы ускоренной консолидации грунтов основания земляного полотна.

1. Разработаны механизмы структурно-физического, гидродинамического и физико-химического уплотнения связных грунтов при обработке их методами динамического, статического и электрофизического воздействия.

2. Разработан метод аддитивного моделирования грунтов как многофункциональный инструмент, позволяющий воспроизводить сложное и многообразное поведение грунтов в процессах их нагружения. Метод аддитивного моделирования грунтов построен по принципу иерархии нарастающей сложности и включает инструменты и подходы междисциплинарной методологии:

модель хаотичной плотнейшей упаковки частиц грунта; модель иерархии микроструктуры связного грунта; модель порового пространства связного грунта; термодинамическая и энергетическая модель; гидродинамическая модель; физико-химическая модель связного грунта; модель уплотнения связного грунта за счет эффекта понижения коэффициента поглощения волн; расчетная балансовая модель удаляемой водной компоненты; модель рыхлосвязанной воды; модели и численные критерии структурной податливости связного грунта; модель управления фильтрационной проницаемостью с помощью активизации поровой структуры связного грунта; обобщенная динамическая модель связного грунта.

3. Установлено, что уплотнение грунтов может происходить до некоторого предельного состояния, которое отвечает максимальной по плотности упаковки структурно-физических элементов грунта.

4. Разработан новый оценочный параметр - коэффициент структурной податливости, с использованием которого составлены аналитические соотношения динамической консолидации связных грунтов.

5. Установлены закономерности изменения показателей консолидации фунтов от параметров динамического воздействия применительно к широкой гамме слабых грунтов.

6. Показано, что в связных грунтах транспорт отжимаемой воды осуществляется по активным крупным порам, тогда как тонкие капиллярные поры не пригодны для

транспорта воды. Уточнена теория фильтрационной консолидации грунтов природного основания.

7. Показано, что в связных грунтах имеют место эффекты псевдостабилизации, которые препятствуют уплотнению фунта до заданного уровня и представляют собой контролирующий фактор консолидации.

8. Предложена методология исследований вибрационных свойств грунтов, позволяющая разделить тонкие частотные характеристики. Показано, что позитивным фактором консолидации связного грунта при динамическом воздействии является эффект понижения коэффициента поглощения волн в грунте по мере увеличения его плотности.

9. Разработаны основы инженерного моделирования и расчета параметров виброконсолидации связных грунтов с использованием термодинамических методов.

10. Разработаны научные основы технологии ускоренной консолидации слабого природного основания при динамическом, статическом и электрофизическом воздействии.

Практическая значимость работы. Результаты диссертации предназначены для проектных и строительных организаций с целью разработки и реализации новых конструктивно-технологических решений земляного полотна автомобильных дорог, позволяющих ускорить его осадку на слабых грунтах.

Совокупность научных идей и практических результатов исследований составляет новое направление в области проектирования и строительства автомобильных дорог в районах распространения слабых грунтов. \

Положения, выносимые на защиту:

1. Механизмы структурно-физического, гидродинамического и физико-химического уплотнения слабых грунтов основания земляного полотна.

2. Научные основы технологии ускоренной консолидации слабого природного основания при динамическом, статическом и электрофизическом воздействии.

3. Метод аддитивного моделирования грунтов и процессов ускоренной консолидации как многофункциональный инструмент, позволяющий воспроизводить сложное и многообразное поведение грунтов в процессах их нагружения.

4. Модели фильтрационной консолидации грунтов природного основания, учитывающие механизмы движения рыхлосвязанной воды по активным (крупным) порам и эффект псевдостабилизации.

5. Положение, согласно которому уплотнение грунтов может происходить до некоторого предельного состояния, которое отвечает максимальной по плотности упаковке структурных физических элементов грунта.

6. Методы исследований вибрационных свойств грунтов, позволяющие разделить тонкие частотные характеристики вибрационного воздействия.

7. Экспериментальные методы и программы ускоренной консолидации слабого основания земляного полотна с применением нового лабораторного оборудования.

Реализация результатов работы. Результаты работы использованы: при разработке «Рекомендаций по интенсивной технологии и мониторингу строительства земляных сооружений на слабых основаниях»;

при проектировании и строительстве земляного полотна подходов к мостовому переходу через р. Каму в Пермском районе Пермской области; при проектировании и строительстве вторых путей железнодорожной линии Сургут - Нижний Тагил.

при проектировании и строительстве автомобильной дороги Былым - Актопрак в Кабардино-Балкарской Республике.

при реконструкции автомобильной дороги II категории Владикавказ - Ардон -Чикола - Лескен в Республике Северная Осетия - Алания.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на конференциях и семинарах:

Научно-техническая конференция «Безопасность движения поездов» (МИИТ, Москва, 2003 - 2004 гг.).

Международная конференция по геотехнике «Взаимодействие сооружений и оснований: методы расчёта и инженерная практика» (Дом Архитектора, Санкт-Петербург, 2005 г.).

Семинар компании ООО «Маккаферри СНГ» (Дом Знаний, Москва, 2005 г.). На заседаниях кафедры «Организация, технология и управление строительством» (МИИТ, Москва, 2004 - 2006 гг.).

Научно-техническая конференция «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации земляного полотна и искусственных сооружений» (МИИТ, Москва, 2005 г.).

I Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий» (Москва, 2010г.).

VIII Всероссийская научно-техническая конференция «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, Москва, 2010г.).

II международная научно-практическая конференция «Проблемы и возможности современной науки» (Тамбов, 2011г.).

На заседаниях кафедры «Инженерная геология и геотехника» (МАДИ, Москва, 2012-2013 гг.).

На заседаниях кафедры «Изыскания и проектирование дорог» (МАДИ, Москва, 2013 -2014 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 45 работ, в том числе 29 по Перечню ВАК, получено 4 патента на изобретение. Результаты работы автора отражены в «Рекомендациях по интенсивной технологии и мониторингу строительства земляных сооружений на слабых основаниях».

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из оглавления, введения, семи глав, основных результатов и выводов, библиографического списка и 3-х приложений. Общий объем работы составляет 363 страницы машинописного текста, в том числе 35 таблиц и 173 рисунка.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и практическая значимость работы, сформулированы цель и основные задачи исследований, определена научная новизна.

В первой главе выполнен анализ современных теоретических подходов, методов и конструктивно-технологических решений, применяемых при строительстве дорог на слабых основаниях.

Вопросы консолидации фунтов рассмотрены в работах зарубежных и отечественных ученых Терцаги К., Дарси А., Герсеванова Н.М., Флорина В.А., Маслова H.H., Цьгговича H.A., Зарецкого Ю.К. Ломбардо В.Н., Вялова С.С., Абелева М.Ю., Трофимова В.Т., Доброва Э.М., Вознесенского Е.А., Далматова Б.И., Ухова С.Б., Тер-Мартиросяна З.Г., Алексеева С.И. и др.

Задача исследования кинетических факторов (скорость изменения степени консолидации во времени) консолидации глинистых грунтов природного основания мало изучена как в теоретическом, так и экспериментальном плане. Теоретические факторы кинетики консолидации состоят в описании механизмов уплотнения грунтов природного основания, раскрывающих структурные (микроструктурные) особенности строения глинистых сред, затрудняющих консолидацию при использовании традиционных методов.

Задачи управления кинетическими факторами консолидации, обеспечивающими резкое сокращение периода выдержки и высокие эксплуатационные показатели земляного полотна на слабых грунтах, будут рассмотрены в последующих главах диссертации.

Существуют технологии, применяемые на участках залегания наиболее слабых грунтов, исключающие консолидацию или резко снижающие ее (вяжущие вещества и др.). Эти методы характеризуются рядом недостатков - высокой стоимостью, энергоемкостью и др., что ограничивает их применение. В случае применения этих технологий возникает проблема длительной стабилизации осадок (от полугода и более) природного основания земляного полотна, которая не имеет до настоящего времени эффективных решений.

В табл. 1 приведены основные методы, применяемые для ускорения консолидации слабых грунтов. Все перечисленные методы в той или иной степени доказали свою эффективность при решении проблемы ускорения консолидации слабых грунтов.

Большой вклад в развитие теории и практики строительства земляных сооружений на слабых грунтах внесли Маслов H.H., Бабков В.Ф., Иванов П.Л., Евгеньев И.Е., Казарновский В.Д., Хархута Н.Я., Добров Э.М., Васильев А.П., Луцкий С.Я., Кузахметова Э.К., Яромко В.Н., Шестаков В.Н., Шахунянц Г.М., Прокудин И.В., Подольский В.П., Ашпиз Е.С., Переселенков Г.С., Ярмолинский А.И., Жорняк С.Г., Крицкий М_Я. и другие.

Создание современных технологий интенсивной осадки земляного полотна на слабых грунтах непосредственно связано с методами обработки грунтов. Существующие технологии строительства автодорог предусматривают неприемлемо длительные периоды консолидации природного основания (ПО). Объективно назрела необходимость существенного снижения этого временного интервала - создания технологии интенсивной консолидации слабого основания земляного полотна. Вместе с тем, должна быть решена и другая задача - обеспечение требуемых параметров уплотнения ПО при резком сокращении технологических интервалов уплотнения.

Наряду с решением практических задач (технологии интенсивной осадки земляного полотна на слабых грунтах) актуальность работы состоит в постановке и разработке теоретических основ консолидации связных грунтов при различных видах воздействия - динамическом, статическом и комплексном, а также при создании моделей поведения связных и несвязных грунтов с использованием структурно-физических, физико-химических, термодинамических и других подходов.

Необходимо указать на ряд принципиальных аспектов, связанных с уровнем проработанности вопросов, касающихся природного основания. Большое число работ посвящено исследованию дорожной одежды и насыпи (выемки), тогда как природное основание изучено явно недостаточно.

Расширение знаний о базовых механизмах уплотнения переувлажненных глинистых грунтов позволит решить принципиальную задачу использования для строительства автомобильных дорог таких типов связных грунтов, которые раньше не могли быть применены для этих целей.

Однако надежных данных о взаимосвязи параметров качества природного основания и характеристик дороги недостаточно для того, чтобы с определенностью

говорить о системной концепции дороги как сложного технического объекта.

По результатам исследований по первой главе:

- разработана иерархия моделей песчаного грунта и глинистого грунта. Основное

различие в способности к уплотнению между песчаным и глинистыми грунтами состоит в физико-химической природе взаимодействия твердой фазы грунта с водой;

- выполнен аналитический обзор морфологии и характеристик порового

пространства, который показал, что в глинах присутствует большое число тонких пор, мало перспективных с точки зрения транспорта воды. В то же время крупные

поры могут иметь тупиковые ходы, и для переноса воды могут быть использованы только крупные активные поры;

- показано, что микроструктура глинистых грунтов построена из рыхлых агрегатов,

которые обладают высокой пластичностью и устойчивостью при внешнем воздействии, что является одним из факторов низкой способности глин к сжатию;

- обоснован новый подход к процессам разрушения рыхлых агрегатов и перехода

грунта в стадию эффективного уплотнения. Необходимо использование специальных методов (вибровоздействие с фиксированными параметрами и др.), при которых происходит разрушение связей в рыхлых агрегатах.

Таблица 1

Сравнительные характеристики известных методов консолидации грунтовых

элементов

Наименование метода Преимущества Недостатки Тип метода

Временная пригрузка Простота осуществления Низкая эффективность на глинистых грунтах Статический

Вертикальное дренирование Эффективно в водонасыщенных органических и минеральных сильносжимаемых грунтах Не пригодно для плотных глинистых грунтов Конструктивный

Частичная или полная замена слабого грунта Низкие эксплуатационные осадки Высокая стоимость технологии Конструктивный

Предварительное осушение слабой толщи Пригодно для водонасыщенных органических грунтов Не пригодно для глинистых грунтов Конструктивный

Настилы и армирование насыпей Снижение осадки Сравнительно затратная технология Конструктивный

Грунтовые сваи Высокая эффективность для глинистых грунтов Высокая стоимость технологии Конструктивный

Динамическая консолидация (тяжелое трамбование) Высокая эффективность на опыте возведения современных автострад Высокая энергоемкость технологии Динамический

Вибрационные (виброкатки) Эффективны на песчаных фунтах Не отработаны на глинистых грунтах Динамический

Виброфлотация (глубинные вибраторы) Воздействие на глубинные среды Не отработаны на глинистых грунтах Динамический

Вяжущие вещества Пригодны для грунтов широкого спектра Затратная технология Химический

Метод последовательного взрывания зарядов Эффективен при уплотнении песчаных грунтов оснований Локализован по территориям использования Динамический

Во второй главе разработаны методы аддитивного моделирования и расчета процессов консолидации связных грунтов основания земляного полотна при создании технологии с управляемыми кинетическими характеристиками.

Аддитивное моделирование грунтов (AMT) - иерархически построенная совокупность взаимоувязанных и взаимодополняющих междисциплинарных моделей и методов исследования свойств и структуры грунтов, позволяющая изучать тонкие структурно-физические превращения в грунтах, определяющих природу поведения связных грунтов при однотипных и многотипных воздействиях (рис. 1).

Инженерное моделпровжнпе

Фшико* химическое и энергетическое моделирование

Модель струю урных превращений

Энергетиче скал (те плова*) модель Гидродинамичеоа* модель Модель структурной податливости

Модель Модель

актишзации породой рьсслосвжзаннои Физико- химическая

структуры воды модель

Модель хаотичной упаковки

Модель перового пространства

Модель иерархии шкроезруктуры

Рис. 1. Уровни иерархии методов аддитивного моделирования грунтов

Необходимость использования АМГ определяется следующими обстоятельствами, связанными с поставленной целью работы, созданием принципиальных основ, разработкой методов и технологий консолидации грунтов природного основания с управляемыми кинетическими характеристиками, обеспечивающими резкое сокращение периода выдержки.

Разработана модель грунта как поликристалла, в которой грунт представлен как микронеоднородная хаотично упакованная среда, уплотнение которой возможно до некоторого предельного состояния.

Разработана математическая гидродинамическая модель пористой структуры. С использованием уравнения Навье - Стокса составлено соотношение для расчета количества жидкости <3, протекающей через эквивалентную пору:

где Ар - разность давлений на концах трубы; [1 - кинематическая вязкость, // = .

Разработан критерий способности грунта к консолидации при статической нагрузке:

д-§. «

где <2„ - количество жидкости, протекающей через эквивалентную пору идеального грунта; <¿1 - количество жидкости, протекающей через эквивалентную пору неидеального грунта.

В качестве идеального грунта (с минимальным сопротивлением к консолидации) принят грунт, в котором:

- отсутствуют силы взаимодействия между жидкой и твердой фазами грунта при движении жидкости по порам грунта;

вся пористость открытая;

- диаметр эквивалентной поры 1{п=2,88 мкм.

Диапазон существования параметра 0 < Д < 1, причем /?, - О в случае невозможности уплотнения грунта при статической нагрузке, = / в случае идеального грунта.

Разработана классификация пор глинистого грунта:

- общая пористость - совокупность всех видов пор;

- открытая пористость;

- закрытая пористость;

- транспортные поры;

- тупиковые поры;

-. крупные (эффективные), средние и тонкие поры.

На основании теоретических и экспериментальных исследований установлены особенности процессов консолидации в связном грунте:

в глинистом грунте, в отличие от песчаного, существует развитая система пространственных химических связей между зернами, что затрудняет процессы консолидации;

- для инициации процесса уплотнения глинистого грунта необходимо разорвать часть связей между зернами, что создает возможности для перестройки структуры, при этом происходит заполнение внутренних пустот и упругая деформация зерен; эффект реакции - неполного возврата к исходному состоянию грунта - связан с упругим восстановлением зерен, при этом фиксируется новое состояние грунта;

- фиксация нового состояния глинистого грунта происходит благодаря уникальному свойству глин - высокому сродству твердой и жидкой фаз, что после снятия нагрузки ведет к быстрому формированию пространственно-связывающей сети, фиксирующей новую микро- и макроструктуру грунта, в которой сочетаются новые и старые элементы; таким образом, в глине проявляются эффекты памяти формы и физико-механического воздействия;

сродство твердой и жидкой фаз глин проявляется в высокой подвижности (диффузионно-трансляционное движение) коллоидных гидратированных частиц из

алюмокремниевых комплексов, с помощью которых обеспечивается формирование пространственно-связывающей сети;

- коллоидные гидратированные частицы (КГЧ) представляют собой промежуточну ю фазу - не твердую, и не жидкую, а одновременно и ту и другую, что принципиально отличает глину от песка, в которой такой фазы нет;

- КГЧ, обладая высокой подвижностью и химической близостью к твердой фазе глины, в период перестройки структуры заполняют поровые каналы, блокируя движение жидкости.

В третьей главе заложены основы инженерного моделирования и расчета технологических параметров виброконсолидации связных грунтов с использованием термодинамических методов.

Составлены аналитические соотношения энергетического подхода при моделировании связного грунта. Показано, что энергия вибрации расходуется на создание новых поверхностей и активизацию хаотического движения частиц и молекул грунта, что может приводить к росту температуры. В ходе этого имеют место: изменение фракционного состава грунта, разрушение крупных рыхлых агрегатов с образованием мелких микрочастиц, отделение рыхлосвязанной воды в оболочке гидратированной частицы и переход воды в свободное состояние. В основе микроструктурных преобразований лежат процессы атомарного уровня:

- изменение распределения плотности химических связей по их энергии. За счет разрушения слабых связей, но при сохранении сильных связей кривая распределения становится более узкой (дисперсия снижается), а «мода» смещается в сторону более прочных связей;

- в результате разрыва слабых связей образуется большое число новых оборванных ненасыщенных связей с активными группами на концах;

- вновь образованные частицы воды могут иметь ультратонкие размеры в несколько единиц и десятков нанометров, эти частицы характеризуются максимально высокой скоростью передвижения по объему грунта.

После прекращения вибраций грунт представляет собой термодинамически неустойчивую систему, которая в силу принципа минимизации свободной энергии переходит в более устойчивое состояние путем образования рыхлых коагуляционных структур. В ходе этого процесса происходит снижение свободной энергии Гельмгольца за счет уменьшения общей поверхности частиц грунта.

Для свободной энергии Гельмгольца для системы с постоянным числом частиц выполняется соотношение:

Т = U -TS, (3)

где U - внутренняя энергия;

Г - абсолютная температура; S- энтропия.

Отсюда дифференциал свободной энергии равен:

dT = d(U - TS) = 5Q — SA - d(TS) = -PdV - SdT. (4)

Это выражение является полным дифференциалом относительно независимых переменных температуры Т и объема V. Для системы с переменным числом частиц дифференциал свободной энергии Гельмгольца записывается в виде:

dF = -PdV - SdT + ßdNt (5)

где // - химический потенциал; jV — число частиц в системе; Р - нагрузка (внешнее воздействие).

Установлено, что виброобработка грунта сопровождается эффектами - изменением температуры и порового давления. Энергия лишь в малой степени расходуется на полезную работу - уплотнение, большая ее часть поглощается грунтом, что неизбежно ведет к его нагреву.

Показано существенное влияние на консолидацию грунта процессов отделения рыхлосвязанной воды:

- отслоение рыхлосвязанной воды приводит к увеличению концентрации в грунте свободной воды и потенциально облегчает протекание консолидации;

размер оболочки рыхлосвязанной воды много больше, чем у прочносвязанной воды, случаем отслоения которой можно пренебречь в силу малости размеров слоя прочносвязанной воды.

Параметры процесса отслоения рыхлосвязанной воды:

- Поб - общее число гидратированных частиц в единице объема грунта;

- q - толщина жидкофазной компоненты гидратированной частицы;

- г - радиус твердого ядра частицы;

г + ^ - радиус гидратированной частицы;

- Е1 - энергия единичной связи на границе прочносвязанная вода - рыхлосвязанная вода;

- р! - плотность связей на границе раздела прочносвязанная вода - рыхлосвязанная вода — количество связей, приходящихся на единицу площади поверхности.

Для расчета энергии Еоре, необходимой для отделения рыхлосвязанной воды, предложена зависимость:

Еорв = 4кг Поо Е, р,. (6)

На практике имеет место некоторая достижимая степень эффективного воздействия на грунт, можно говорить о том, что только часть гидратированных частиц теряет оболочку из рыхлосвязанной воды. Тогда для (6) имеем:

Еорв- э= 4кг2 пд Е, ри (7)

где Еорв. э - эффективно использованная энергия;

пд - достижимое для отслоения оболочки число частиц.

Степень эффективного воздействия может быть оценена из пропорции эффективной энергии к общей энергии, требуемой для отслоения рыхлосвязанной воды:

п = 1=3_> (8)

Е0рв П,об

где О - критерий податливости для первой границы, имея в виду, что вторая граница -это поверхность раздела твердое ядро - гидратированная оболочка.

Соотношения (6) - (8) представляют собой основу для оценки степени эффективности уплотняющего воздействия на связный грунт при его консолидации.

В четвертой главе представлены обобщенные результаты экспериментальных исследований процессов консолидации грунтов при различных воздействиях.

Для испытаний грунтов использована нестандартная лабораторная установка статически-динамического нагружения (рис.2).

На рис. 3 показана зависимость переувлажненной супеси и глины от времени при приложении статической нагрузки: 1 - 0,2 МПа; 2 - 0,5 МПа; 3-1 МПа.

Установлены значения динамического коэффициента структурной податливости водонасышенных грунтов при разных частотах приложенной динамической нагрузки (табл.2).

На основе аппроксимации экспериментальных данных составлено аналитическое соотношение для текущей пористости (рис. 4):

п, =ггк+(ггисх-пк)е->", (9)

где л„„ и пк - исходная и конечная общая пористость;

у - коэффициент структурной податливости, характеризующий связный грунт с точки зрения эффективности (структурной податливости) обработки грунта вибрационным (комбинированным) воздействием.

Я привод ^ 1АВМ-4402 |

Блок - преобразователь

датчик перемещешй

виброколебания

щжШ

II II II

II ] II111

Рис. 2. Схема лабораторной установки статически-динамического нагружения:

1 - одометр, 2 - блок-преобразователь; 3 - электромотор с приводом

а)

б)

о 0,55

Рис. 3. Зависимость пористости связного грунта от времени приложения статической нагрузки: а — переувлажненный суглинок;б - переувлажненная глина. 1—0,1 Мпа; 2 - 0,2

МПа; 3 - 0,5 МПа

Предложенный коэффициент податливости прост в определении и незаменим как характеристика скорости уплотнения грунта. Дифференцируя (9), получим:

4 п, (О = ~у{писх - пк )е~г'. (10)

Л

Откуда:

V = у(пк-пиа)ег ,

(И)

где V - скорость изменения пористости.

Скорость изменения пористости пропорциональна у и полному уплотнению пк -

П«сх ■

Выделим выражение:

А (12)

"к - и, А",

Таблица 2

Значения динамического коэффициента структурной податливости у

Вид грунта Частота, Гц

10 30 50

Песок 0,65 0,74 0,85

Супесь 0,40 0,47 0,54

Суглинок 0,35 0,39 0,48

Глина 0,11 0,17 0,26

10 15 20 25

I, мпн

Рис. 4. Кривые изменения пористости переувлажненной супеси во времени при приложении статической нагрузки

Обозначим:

Ли, Ли,

(13)

где тк - коэффициент сжимаемости (кинетический), характеризует степень текущего уплотнения грунта по отношению к полному уплотнению.

В соотношении

У = -

1П Л/7,

(14)

коэффициент структурной податливости у - величина, пропорциональная логарифму кинетического коэффициента сжимаемости грунта за единицу времени; скорость консолидации, выраженная через логарифм кинетического коэффициента сжимаемости.

На рис. 5 представлена графическая зависимость производной от текущей пористости:

tga = у(пк - писх )е~г'. (15)

'' Пористость п

Время I

Рис. 5. Графическая интерпретация параметров коэффициента структурной

податливости

Коэффициент структурной податливости максимален в начале консолидации, а затем его величина падает до нуля, когда процесс уплотнения прекращается. Усредненное значение коэффициента структурной податливости находят, зная время за которое уплотнение грунта составляет 0,95 от предельного при данном воздействии (см. рис.5).

В результате экспериментальных динамических и статических испытаний грунтов показано, что для параметров Кф и то выполняются соотношения:

КФ=МЕ

т0 = 9Е —Г7 (16)

где Е - энергия динамического воздействия;

ц и 9 - динамические коэффициенты пропорциональности, получаемые из экспериментов на динамическую фильтрацию и компрессию.

Тогда коэффициент относительной сжимаемости:

9Е

-, (IV)

1 + е

и коэффициент консолидации:

9 1+е

еу=--. (18)

А,

Осадки во времени 5, при комплексном (динамическом и статическом) воздействии на грунт:

). (19)

7Г

Зависимость расчетной осадки от времени (19) для образца водонасыщенного суглинка при статическом и динамическом воздействии представлена на рис.6.

Как следует из рис.6, динамическое воздействие более эффективно по сравнению со статическим, однако потенциал консолидации выработан не полностью, что может быть связано с активностью порового пространства для переноса жидкости.

90 100 110 120

Рис. 6. Зависимость расчетной осадки суглинка от времени при статическом (1) и динамическом (2) воздействии

В пятой главе представлены результаты исследования и разработка научных основ динамической консолидации связного грунта.

Система структурно-физических превращений в грунте при уплотнении включает последовательность этапов:

- переупаковка коллоидных агрегатов и удаление части свободной поровой воды;

- отделение рыхлосвязанной воды от коллоидных агрегатов и переход ее в свободную поровую воду;

удаление части свободной поровой воды при сохранении целостности коллоидных агрегатов;

- диспергирование коллоидных агрегатов до уровня коллоидных частиц, и освобождение внутриагрегатной условно свободной воды с переходом ее в состояние свободной поровой воды в структуре (3), представляющей собой разжиженную аморфизированную гомогенизированную коллоидную систему; удаление части свободной поровой воды из структуры (3) и переход ее из разжиженного состояния в загущенное.

На рис. 7 приведена диаграмма потенциалов консолидации на разных ее этапах.

Потенциал консолидации, об.%

13 10

отделение

диспергирование агрегатов

воды

переупаковка

Рис. 7. Диаграмма потенциалов консолидации на разных ее этапах

Методы управления процессами консолидации с помощью электрофизической обработки.

Задача исследования влияния электрофизической обработки (ЭФО) на поровое пространство динамически нагружаемых грунтов состояла:

- в изучении возможности активизации порового пространства предварительно ЭФО грунта по критерию фильтрационной проницаемости;

- в определении эффекта и практической перспективы ЭФО для модернизации грунтов при решении задачи ускорения консолидации.

Лабораторные исследования выполнены на стенде (рис. 8). В результате предварительной ЭФО глинистого грунта с последующим волновым воздействием наблюдали эффект значительного ускорения консолидации (рис. 9).

Рис. 8. Лабораторный стенд для исследований по электрофизическому воздействию

на образцы грунтов: 1 - образец грунта; 2 - пресс, 3 - оборудование для создания противодавления; 4 — дифманометр, 5 — оборудование ЭФО; 6 — вентиль-переключатель с

мерной ёмкостью

Рис. 9. Зависимость влажности глины (1) предварительно ЭФО глины (2;3) от времени при приложении динамического воздействия частотой: 1-50 Гц; 2 -частотой 10 Гц; 3 - 50 Гц

Для отработки технологических параметров электрофизического воздействия для связных грунтов (супесь, суглинок и глина) была использована установка для изучения процесса декольматации (рис. 10).

Ускорение консолидации достигалось за счет освобождения активных

поровых каналов при электрофизическом воздействии: 1 - капилляр; 2 -искусственный кольматант; 3 - жидкость, заполняющая поровый канал; 4 - вакуумные пробки; 5 - специальные цилиндрические электроды; 6 - клеммы для подключения установки к источнику электропитания; 7 - термопары; 8 - оптический фильтр; 9 -

Рис. 11. Состояние коллоидных агрегатов глинистого материала до и после ЭФО: 1 -

коллоидный агрегат

По результатам испытаний установлены рекомендуемые параметры электрофизического воздействия (табл.3).

На основе приведенных в табл. 3 параметров определены способы обработки реальных грунтов.

Полученные данные подтверждают существование в связных грунтах тупиковых пор, закупоренных коллоидными агрегатами. Активация тупиковых транспортных каналов с помощью ЭФО позволяет вывести грунт как транспортную систему на новый уровень массопереноса с уровнями фильтрационной проницаемости, близкими к

теоретически возможным.

Таблица 3

_Рекомендуемые параметры электрического воздействия_

Вид грунта Параметры

Сила тока, А Приведенная мощность, кВт/м3

Супесь 0,25-0,38 0,5 - 0,8

Суглинок 0,35 - 0,45 1,2-1,8

Глина 0,48 - 0,72 2,5 - 3,4

На рис. 12 представлена зависимость пористости глины от времени при разных

Рис. 12. Зависимость пористости глины от времени при разных воздействиях: 1 - динамика; 2 - ЭФО + динамика

Анализ результатов использования ЭФО грунтов показал: - экспериментальное подтверждение гипотезы о кольматированной структуре порового пространства связных грунтов, которая была принята при разработке моделей грунтов;

предварительная обработка грунтов ЭФ-воздействием позволяет принципиально изменить их способность к уплотнению, и устранить основные факторы, препятствующие ускоренной консолидации; ЭФО дает возможность избежать остановки консолидации на промежуточных уровнях -псевдоконсолидации.

Исследование методов аддитивного моделирования.

С помощью методов аддитивного моделирования была сформирована основная расчетная модель консолидации связного грунта - аналитическая стабилизационная модель (АСМ).

Для решения вопроса о правомерности и адекватности АСМ была определена степень соответствия ее экспериментальным данным консолидации реальных грунтов. Для оценки меры соответствия АСМ экспериментальным данным использовали F-критерий Фишера.

В табл. 4 приведены сводные данные по F - критериям на основе результатов испытаний реальных грунтов.

Как следует из данных табл. 4, во всех испытаниях F' < Fma0,, что означает адекватность используемой модели.

Таблица 4

Сводные данные по /•"— критериям на основе результатов испытаний реальных

№ п./п. Опытный участок ¿Май ^ {у}восп р 1 оп Кабл

1 Опытный участок 1 * 0,078 0,129 0,61 4,84

2 Опытный участок 1 * 0,087 0,139 0,62 4,84

3 Опытный участок 1* 0,087 0,178 0,49 4,84

4 Опытный участок 2** 0,077 0,179 0,43 4,84

5 Опытный участок 2** 0,101 0,191 0,53 4,84

6 Опытный участок 2** 0,121 0,181 0,67 4,84

Примечания:

*земляное полотно на слабом основании автодорожных подходов к мостовому переходу через р. Каму.

**земляное полотно на слабом основании автомобильной дороги Былым -Актопрак.

Анализ поровой структуры глинистых грунтов вероятностными методами позволил определить долю пор с радиусом от до г.'2 из соотношения:

<-2 (г-¿о2 |е 252 ¿г

2 с,-^-■ (20)

]"<? 2*2 с/г о

В шестой главе представлены данные по разработке опытно-промышленной технологии ускорения осадок земляного полотна на слабых грунтах.

Исследование псевдостабильных состояний связных грунтов показало, что псевдостабилизация имеет место для широкого спектра глинистых грунтов; она выражается в том, что при заданном воздействии доступными для уплотнения являются только ограниченные толщины грунта.

Псевдостабилизация приводит к последствиям: - задача консолидация природных оснований, в которых имеются слои связных грунтов, становится нерешаемой и требует применения дополнительных методов и средств уплотнения;

псевдостабилизация неравномерно воздействует на связные грунты разных типов (суглинки, глины), что приводит к тому, что консолидация многослойных оснований становится зависимой от состава и мощности слоев основания. Отработка методов подготовки грунтов к уплотнению в условиях опытно-промышленной технологии с учетом состояния грунтов.

Была изучена возможность применения метода электрофизического воздействия при оценке степени готовности грунтов к уплотнению в опытно-промышленных условиях - при строительстве земляного полотна подходов к мостовому переходу через р. Каму. В табл. 5 приведены характеристики грунтов основания.

Первый этап опытно-промышленной технологии ускоренной консолидации слабого основания был начат в 2004 г. и продолжается по настоящее время.

Снижение толщины безопасного слоя при использовании геосинтетического материала достигается за счет упрочнения безопасного слоя и более равномерного распределения виброэнергии по объему безопасного слоя. Геосинтетический материал имеет низкую объемную плотность и, как следствие, не оказывает существенного влияния на процессы фильтрационной консолидации.

Таблица 5

Характеристики грунтов основания_

№ п./п. Глубина залегания слоя, м Подвид Плотность р, г/см3 Влажность IV, д. е. Пористость п, д.е

1 0-2 Суглинок 1,9 0,41 0,51

2 2-3,6 Суглинок 1,93 0,43 0,55

3 3,6-5 Глина 1,9 0,58 0,53

4 5-7 Глина 1,85 0,63 0,53

Возможность использования слабой толщи в качестве основания устанавливается по степени ее устойчивости, характеризуемой коэффициентом безопасности Кбе,- В зависимости от Кбез, определяемого для условий быстрой и медленной отсыпки, основание (в целом) относят к одному из типов. По результатам работ первого этапа:

отработана интенсивная технология строительных работ возведения земляного полотна подходов к мостовому переходу через р. Каму;

разработана методика технологических расчётов сооружения армированной насыпи при составлении проектов производства работ;

составлены рекомендации по подбору геосинтетических материалов для интенсивной технологии; - отработаны вопросы мониторинга состояния армированных земляных сооружений при интенсивных технологических режимах строительства

Объект расположен в пределах поймы р. Камы, сложенной глинами и суглинками текучей (текучепластичной) консистенции на глубину 4,5 - 9,0 м, основание земляного полотна является слабым (рис.13).

Рис. 13. Общий вид опытного участка

В геоморфологическом отношении экспериментальный участок расположен на надпойменной террасе, поверхность участка ровная, что препятствует водоотводу. Комплексная технология была реализована при строительстве опытного участка на подходах к мостовому переходу через р. Каму в г. Пермь. Характеристики слоев грунтов основания насыпи высотой Н = 8 м (рис. 14) на ПК 9+50 приведены в табл. 6.

В результате работ первого этапа показано, что использование интенсивной технологии при возведении насыпи сокращает время завершения осадки основания, она наступает в 8,5 - 9 раз быстрее по сравнению с традиционными способами сооружения земляного полотна (рис. 15).

Геосннтетнческкн материал

Гдошиыйгрукт

^^ пгс_

0,7 итолласткчныиотлютак

1 1.1 т«куймэсп(шай сутдкюк

«л Мягколластхчхык сугпнхох ?.8

Рис 14. Насыпь высотой 8 м на слабом основании

Таблица 6

Характеристики слоев грунта основания 1-й 2-й 3-й

Расстояние от поверхности основания до середины слоя, м 0,5 2,15 5,2

Начальный модуль деформации, т/м2 1347 650 1181

Мощность слоя грунта основания, м I 2,3 3,8

Природная влажность, % 24 30 28

Влажность на границе раскатывания, % 18 18 18

Число пластичности 16 14 15

Максимальный коэффициент консистенции 1 1 1

Минимальный коэффициент консистенции 0 0 0

Максимальная граница модуля деформации, т/м2 3200 3200 3200

Минимальная граница модуля деформации, т/м2 600 600 600

100 110 120 130 140 150 160 170 180 130 100 Т, дни

I-Лк1Ш1енпя фаза интенсивной технологам

II- фаза дин/итческнх затуханий

Рис. 15. График стабилизации осадки во времени по данным марки (М 5): 1 — при

послойном уплотнении статическим катком, Рк = 13 т/м2; 2 - при послойном уплотнении вибрационным катком, Рк = 27 т/м2; 3 - отсыпка насыпи в режиме интенсивной

технологии, Рк = 27 т/м ; 4 - граничная линия с интенсивностью У= 2 см/год

Задачей второго этапа опытно-промышленной технологии ускоренной консолидации состояла в том, чтобы на основе разработанных теоретических положений о динамическом уплотнении связных грунтов отработать комплексные методы ускоренной консолидации в опытных условиях применительно к различным композициям грунтов.

В состав задач второго этапа входило также исследование эффектов псевдоконсолидации на природных грунтах и оценка возможности использования прогнозных соотношений уплотнения грунтов для характеристики природного основания.

Для проведения экспериментальных работ были отобраны два участка с разным сочетанием грунтов в основании, отличающиеся друг от друга по способности к уплотнению - основание 1 с трудноуплотняющимися грунтами (табл. 7) и основание 2 со среднеуплотняющимися грунтами.

В основании 1 изучали характер консолидационного поведения грунтов при интервальном виброуплотнении катком без ЭФО в течение 72 ч и последующей длительной осадки.

Таблица 7

Характеристика грунтов основания 1_

№ п./п. Глубина залегания слоя, м Подвид Плотность р, г/см3 Влажность IV, д. е. Пористость п, д. е.

1 0-1,7 Суглинок 1,8 0,41 0,52

2 1,7-4,5 Глина 1,9 0,55 0,55

3 4,5-5,8 Глина 1,85 0,62 0,53

Электрофизическую обработку грунтов основания проводили с использованием мобильного лабораторного комплекса ПИК-500 (рис. 16) в разработке. Воздействие на грунты основания осуществляли через металлические иглофильтры (электроды), перекрывающие всю мощность основания. Электроды устраивали по методу дренажных проколов на таком расстоянии друг от друга, чтобы происходило перекрытие эффективных зон воздействия. Эффективный радиус электровоздействия рассчитывали согласно фильтрационным, электропроводным и пьезопроводным характеристикам грунтов основания. Как правило, он составлял 15 - 20 м.

Параметры обработки (силу тока и время) подбирали экспериментально применительно к типу грунта так, чтобы грунтовый коэффициент структурной податливости уг составлял не менее 0,9. Контроль уг проводили по кернам.

Испытания кернов проводили на мобильной лабораторной установке статически-динамического нагружения (см. рис.2). Статистический набор по экспериментальной точке составлял от 10 до 20 измерений.

Для задач ускоренной консолидации грунтов основания необходимо знать характер распределения у. С целью установления характера распределения были наработаны статистические данные по необработанным и ЭФО грунтам (рис. 17)

Сравнение графиков на рис. 17 показывает, что после обработки грунт становится более гомогенным по у.

Проверка частотных выборок на соответствие нормальному распределению по критерию согласия Пирсона показало хорошую сходимость. В результате этих работ стало возможным оценить долю ЭФО грунтов с у<0,9:

= _а-_-. (21)

Р< 0,9 1

|ехр[

где // - смещение; с- дисперсия.

а)

б)

Рис. 16. Мобильная установка ПИК - 500 для электрообработки грунтов основания:

а - общий вид; б - генератор электрофизического воздействия; в - органы управления

ЦЩ|Ш11Ц ]1[ | б I ..... НА ■ н

1|

1

1-1 -::: ! !: ■ 1 . 1

_ / Г Л! - ...... «11110 11

0 0,1 0,2 <и 0.4 0.5 0.« 0,7 0.8 0.9 1 1,1 1,2 1.3 1,4 1.5 1.6

У*

Рис. 17. Нормальное распределение у: а - необработанного грунта; б - ЭФО грунта

На рис. 18 представлены графики виброосадок основания земляного полотна при использовании:

- конструктивно-технологических методов (дренажные прорези и вертикальное дренирование);

- предварительной ЭФО грунтов основания и без нее.

При использовании в основании дренажных прорезей и вертикального дренирования, грунты не были обработаны электрофизическом воздействием.

Установлено, что в случае применения ЭФО достигается максимальный эффект по ускорению виброосадки слабого основания.

Определение прогнозного времени консолидации основания.

Прогнозное время консолидации основания с п- слоями грунтов:

где

1 У,

е = -- относительная текущая деформация грунта /-го слоя по высоте;

К

Н( - мощность /'-го слоя;

Дп„р.3-! -приведенная заданная пористость /- ого слоя

л- -

Дл„

и — п

условно мгновенная жиброусад

_______и дни

Рис. 18. Виброосадка слабого основания во времени при разных конструктивно-технологических решениях и ЭФО

Раскрыть значение параметров в соотношении (22) можно на примере трехслойного основания (и=3):

= -[— 1п(1 - ехЬппр_1) + — 1п(1 - +—1п(1 - е3Ап11^1) ,(23)

У\ Уг хр2 Уъ ">фЪ

гДе Кхк.к.кт-„

- экспериментальная глубина по данному грунту, определяемая по результатам динамического нагружения образцов без учета применения конструктивных методов;

кв — конструктивный коэффициент, определяемый по результатам экспериментального использования определенного конструктивного метода; для прорезей к, =1,05;

ки«-в~ коэффициент интенсивности воздействия на данный слой, рассчитываемый с учетом расположения слоя и меры внешнего воздействия. Чем глубже располагается слой, тем сильнее ослабляется энергия внешнего воздействия, однако при этом, чем дольше воздействие, тем глубже проникает воздействие вглубь грунта:

где 3 _ коэффициент затухания, определяемый из выражения:

А = А0е

(24)

(25)

А,

—--мера внешнего воздействия, определяемая как отношение прилагаемого

воздействия, взятое в энергетическом измерении, к экспериментальному воздействия, использованному при динамическом испытании грунтов (глава 4, п. 4.5, частота 50 Гц); кп— поправочный коэффициент, учитывающий сумму дополнительных факторов. В седьмой главе рассмотрены вопросы экономической эффективности и выбора критериев технической эффективности новой технологии интенсивной консолидации грунтов основания.

Достигаемый эффект от реализации интенсивной технологии:

- ускорение сроков строительства автомобильной дороги за счет значительного сокращения периода выдержки основания;

- повышение качества планирования строительства за счет исключения длительного и трудно прогнозируемого периода выдержки основания;

- повышение эксплуатационных показателей автомобильной дороги за счет применения управляемой технологии консолидации основания, что способствует снижению деформаций дорожных конструкций в эксплуатационный период и снижению затрат на ремонты и др.;

- повышение эффективности мониторинга автомобильной дороги в эксплуатационный период.

В результате ускорения сроков строительства автомобильной дороги достигается общий общественный и госбюджетный экономический эффект, включающий: сокращение пробега автомобилей на величинуД/; сокращение времени нахождения пассажиров в дороге.

За счет ускорения темпов строительства автомобильной дороги при использовании интенсивной технологии срок строительства сокращается не менее чем на 6 месяцев.

В расчет принята автомобильная дорога II категории республиканского значения. Ширина земляного полотна 15м, длина 10 км. Объем слабых грунтов природного основания - 90 ООО м3.

Общая интенсивность движения - 5000 авт./сутки, грузовой транспорт 2800 авт/сутки и автобусы 200 авт./сутки.

Расчет доходов от сокращения пробега автомобилей на величину Al. Расчет экономии за счет транспортных расходов:

АС,"" =365Л'/£«"у/ -L"/v V , (26)

где Цтр - стоимостная оценка автомобиле-часа;

A.-.V4, L„P - длина пробега автомобиля до и после строительства (реконструкции) дороги;

Кущ,, v„p - скорость движения автомобиля в существующих и проектируемых условиях;

N, - интенсивность движения для t-ro года рассчитывается по формуле:

N = No(l + p)"', (27)

где р - ежегодный прирост интенсивности движения.

Экономия за 6 месяцев транспортных расходов от сокращения пробега автомобилей:

bCZc =36 889 340руб. Расчет эффекта от сокращения времени пребывания в пути пассажиров (выполняется только для легковых автомобилей и автобусов) производится по формуле:

Л С',"" =365 N, {^"уу ~ ' (28)

где Ц - цена пассажиро-часа;

Л - пассажировместимость автобуса или легкового автомобиля;

у - коэффициент использования пассажировместимости (у=0,8).

Эффект от сокращения времени пребывания в пути пассажиров за 6 месяцев:

дс™;;; =10 317 зюруб.

Суммарный экономический эффект Д, за полный период ускоренного ввода дорога в эксплуатацию 6 месяцев, определяемый как сокращение пробега автомобилей на величину А/; сокращение времени нахождения пассажиров в дороге составляет 47 206 680 руб.

Определение сравнительной экономической эффективности применения технологии интенсивной консолидации (в сопоставлении с методами замены грунта, временной пригрузки, использованием дрен и свай).

Оценка экономической эффективности технологии ускоренной консолидации выполнена путем сравнения затрат по базовой технологии и других распространенных методов - замены природного основания и укрепления основания путем устройства свай по технологии струйной цементации (табл.8).

Введем критерий - коэффициент экономической эффективности технологий обеспечения устойчивости природного основания:

где З31 - удельные расходы по замене грунтов природного основания; Зтех - удельные расходы по другим технологиям.

Таблица 8

Сравнительные данные по показателю «удельные расходы» по разным

технологическим схемам_

№ п./п. Вид технологии Удельные расходы, руб./ 1000 м3 К,-У

1 Технология интенсивной консолидации (ТИК) 311 614 3,89

2 Замена грунтов природного основания 1 212 967 1

3 Технология струйной цементации (ТСЦ) 452 900 2,68

4 Метод дренажных прорезей и вертикального дренирования 223 499 5,43

Как видно из табл. 8, диапазон коэффициента экономической эффективности технологий составляет от 1 до 5,43; при этом технология интенсивной консолидации имеет высокий показатель кэ з.

Расчет сроков окупаемости показал, что интенсивная технология окупается за короткое время - 3,5 месяца (таб. 9).

Выбор технических критериев эффективности технологии интенсивной консолидации грунтов основания.

Использован критерий применимости методов ускорения осадки слабых грунтов -если максимальное время достижения допустимой интенсивности осадки основания на расчётных поперечниках превышает заданный срок строительства и возможный технологический перерыв между окончанием возведения насыпи и началом устройства дорожной одежды, то для участков трассы с такими поперечниками применяют мероприятия для ускорения осадки (временная пригрузка, вертикальные дрены, частичная замена слабого грунта, сваи-дрены и др.).

Таблица 9

Варианты Метод дренажных прорезей и вертикального дренирования ТИК тсц Замена грунтов природного основания

Время технологическое, мес. 1 1 1,5 1,5

Время консолидации, мес. 8 3 0 0

Л,, руб. 0 39 338 889 59 008 333 59 008 333

Затраты на 90 тыс. м\ руб. 20114910 28 045 260 40 761 000 109 167 030

ЧДЦ,руб. -20114910 11293628, 9 18247333, 3 -50 158 697

Срок окупаемости, мес. 2,6 3,5 5,2 13,8

В качестве критерия целесообразности применения технологии интенсивной консолидации использована величина эффекта, достигаемого за счет технологии интенсивной консолидации по сравнению с вибрационной технологией. Для количественной оценки использован параметр динамического коэффициента структурной податливости грунтов, значения которого для вибрационной технологии приведены в табл. 10.

Из результатов испытания связных грунтов следует, что использование метода электрофизической подготовки грунта позволяет получить эффект в ускорении консолидации. Обработка грунта электрофизическим методом приводит к увеличению динамического коэффициента структурной податливости (табл.10 - в скобках).

Таблица 10

Значения динамического коэффициента структурной податливости грунтов при

разных частотах

Вид грунта Частота, Гц

10 30 50

Песок 0,6 (0,71*) 0,74 0,85 (0,81*)

Супесь 0,49 (0,59*) 0,76 0,86 (0,92*)

Суглинок 0,35(0,81*) 0,39 0,48 (0,84*)

Глина 0,11 (0,77*) 0,17 0,26 (0,83*)

Примечание: * Усредненное значение.

Введем параметр технической эффективности применения технологии интенсивной консолидации относительный динамический коэффициент

структурной податливости:

гДе У тик" динамический коэффициент структурной податливости при использовании технологии интенсивной консолидации;

Уст- динамический коэффициент структурной податливости при использовании стандартной технологии.

Как следует из данных табл. 10, для суглинков составляет от 1,75 до 2,3, а для глин от 3,2 до 7.

Принимаем в качестве критерия целесообразности применения технологии интенсивной консолидации такие фунты, для которых кзфф > 2.

Вторым критерием применимости технологии являлось время стабилизации осадки основания, которое сильно зависело от мощности слабого основания.

Были выполнены расчеты осадки слабого основания мощностью 7, 8 и 10 м. и прогноза ее во времени

Было установлено, что при увеличении мощности слабого основания до 7 м, 8 м и 10 м время стабилизации осадки увеличилось до 115, 230 и 327 дней соответственно. При этом интенсивная технология сохраняет работоспособность, но эффективность ее снижается в 1,3 - 3,7 раза.

Основные результаты п выводы:

1 .Разработаны концепция, научные принципы и механизмы технологии интенсивной консолидации грунтов основания земляного полотна с управляемыми кинетическими и стабилизационными характеристиками на основе аддитивного моделирования и системной методологии экспериментального исследования грунтов.

2. Обоснована эффективность аддитивно моделирования исследования фунтов -иерархически построенной совокупности междисциплинарных моделей и методов исследования свойств и структуры фунтов, позволяющих изучать тонкие структурно-физические превращения в фунтах при динамическом воздействии.

3. Разработана и реализована в экспериментальных исследованиях системная методология исследования фунтов (СМИТ), построенная на принципах:

иерархии уровней экспериментальных исследований: 1-й уровень -искусственные образцы фунтов всех классов (от песчаных до глинистых); 2-й уровень -керны грунтов, близких по составу к искусственным образцам; 3-ий уровень - керны фунтов природных массивов;

- воспроизводимости состава, структуры и свойств опытных образцов, что обеспечивается методами синтеза образцов грунта;

использования широкого круга модельных разработок аддитивного моделирования для определения параметров экспериментальных исследований и испытаний фунтов.

4. Для выполнения экспериментальных исследований динамического поведения связных фунтов создана мобильная лабораторная установка статически-динамического нафужения, разработана методика экспериментов и выполнено оборудование.

5. Разработана динамическая модель связного грунта, в которой описаны структурно-физические, гидродинамические и физико-химические механизмы реакции фунтов на вибрационное воздействие на основе методов экспериментального исследования и моделирования связных грунтов.

6. Доказано, что в связных фунтах транспорт воды осуществляется по активным крупным порам, тогда как тонкие капиллярные поры не пригодны для транспорта воды.

7. Предложен новый параметр фунта - коэффициент структурной податливости, с помощью которого составлены аналитические соотношения динамической консолидации связных грунтов.

8. Доказано, что применение метода электрофизического воздействия как этапа технологической подготовки фунтов к уплотнению позволяет создать предпосылки для ускорения консолидации связных фунтов.

9. Установлены закономерности изменения показателей консолидации связных грунтов в зависимости от параметров динамического воздействия.

10. Доказано, что в связных грунтах имеют место эффекты псевдостабилизации, которые препятствуют уплотнению грунта до заданного уровня и представляют собой контролирующий фактор консолидации.

11. Показано, что позитивным фактором консолидации связного грунта является эффект понижения коэффициента поглощения волн по мере увеличения его плотности.

12. Разработаны комплексные методы (динамические, электро- физические и конструктивные) опытно-промышленной технологии, позволяющие обеспечить сокращение сроков выдержки природного основания со связными грунтами до 3 месяцев, а также достижение заданного уровня консолидации оснований с глинистыми грунтами.

13. Установлено, что основной потенциал консолидации связан с этапом отделения рыхлосвязанной воды от коллоидных агрегатов и переходом ее в свободную поровую воду, а также с последующим этапом - диспергированием коллоидных агрегатов до уровня коллоидных частиц, и освобождением внутриагрегатной условно свободной воды с переходом ее в состояние свободной поровой воды.

14. На основе разработанных теоретических механизмов уплотнения связных грунтов при динамическом, статическом и электрофизическом воздействии предложена и реализована новая технология ускоренной консолидации связных грунтов природного основания.

Положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендуемых ВАК РФ:

1. Долгов, Д.В. Опыт применения интенсивной технологии строительства земляных сооружений/ С.Я. Луцкий, Д.В. Долгов, Ю.Н.Юдов// Транспортное строительство. - 2005. -№5.-С. 14-18.

2. Долгов, Д.В. Интенсивная технология глубинного уплотнения слабых оснований/ С.Я. Луцкий, Д.В. Долгов// Транспортное строительство. - 2006. - №4. -С. 11-15.

3. Долгов, Д.В. К вопросу о безопасности при электрообработке пластов/ Д.В. Долгов, А.Д. Рыбаков// Нефтепромысловое дело. - 2007. - №2. - С. 44 - 46.

4. Долгов, Д.В. Электробезопасность при проведении работ по электрообработке водоносных пластов через гидрогеологические скважины/ Д.В. Долгов// Безопасность труда в промышленности. - 2007. - №7. - С. 65 - 69.

5. Долгов, Д.В. Интенсивная технология на высокотемпературной вечной мерзлоте/ С. Я. Луцкий, Д. В. Долгов, А. Ю. Лустин// Путь и путевое хозяйство. - 2007. - № 12. -С. 24-25.

6. Долгов, Д.В. Организационно-технологический регламент и мониторинг сооружения земляного полотна/С.Я. Луцкий, Д.В. Долгов [и др.]// Транспортное строительство. - 2008. - №1. - С. 7 - 11.

7. Долгов, Д.В. Методология расширения знаний о грунтовых основаниях/ Д.В. Долгов// Транспортное дело России. -2011. - №7. - С. 112 - 114.

8. Долгов, Д.В. Принципы структурообразования в грунтовых материалах/ Д.В. Долгов// Транспортное дело России. - 2011. -№10. - С. 117 - 118.

9. Долгов, Д.В. Факторы статистической неоднородности свойств и характеристик грунтов и грунтовых элементов/ Д.В. Долгов// Транспортное дело России. - 2011., №11. -С. 102-104.

10. Долгов, Д.В. Физико-химические факторы уплотнения и упрочнения грунтов/ Д.В. Долгов// Транспортное дело России. - 2011. - №12. - С. 141 - 142.

11. Долгов, Д.В. Механизмы процессов консолидации песчаных грунтов при вибрационном воздействии/ Д.В. Долгов// Транспортное дело России. - 2012. - №3. -С. 56-58.

12. Долгов, Д.В. О комплексном подходе в интерпретации понятия надежности автомобильной дороги/ Д.В. Долгов// Глобальный научный потенциал. - 2012. - №3. -С. 26 - 29.

13. Долгов, Д.В. Дефектообразование автомобильной дороги в координатах надежности/ Д.В. Долгов// Перспективы науки. - 2012. - №3. - С. 53 - 56.

14. Долгов, Д.В. Принцип двухуровнего моделирования автомобильной дороги/ Д.В. Долгов// Перспективы науки. - 2012. - №4. - С. 47 - 50.

15. Долгов, Д.В. О некоторых тенденциях в структуре факторов надежности грунтовых оснований дорог/ Д.В. Долгов// Транспортное дело России, 2012., №6. -С. 50-51.

16. Долгов, Д.В. Структурно-физические предпосылки консолидации связного грунта/ Д.В. Долгов// Механизация строительства. - 2012. - №8. - С. 25 - 27.

17. Долгов, Д.В. Исследование влияния электрического поля на фильтрационно-емкостные свойства продуктивного коллектора/ Д.В. Долгов, В.Б. Губанов// Нефтепромысловое дело. - 2012. -№8. - С. 30- 33.

18. Долгов, Д.В. Физическая модель виброконсолидации связанного грунта/ Д.В. Долгов// Механизация строительства. - 2012. - №9. - С. 27 - 29.

19. Долгов, Д.В. Исследование виброуплотнения грунтов на модельных образцах/ Д.В. Долгов// Образование. Наука. Научные кадры. - 2012. - №9. - С. 157 - 164.

20. Долгов, Д.В. О доминирующих тенденциях в моделировании грунтов/ Д.В. Долгов//Механизация строительства. -2012. -№10. - С. 32 - 34.

21. Долгов, Д.В. Элементная и комплексная надежность автодорог/ Д.В. Долгов// Механизация строительства. -2012. -№11. -С. 11 - 13.

22. Долгов, Д.В. Математическая модель консолидации связанного грунта при вибрационном воздействии/ Д.В. Долгов// Механизация строительства. - 2013. - №2. -С. 28-31.

23. Долгов, Д.В. Гидродинамическая модель консолидации связанного грунта/ Д.В. Долгов// Механизация строительства. - 2013. - №3. - С. 32 - 35.

24. Долгов, Д.В. Влияние частоты и амплитуды вибрационного воздействия на характер деформационного поведения связанных грунтов/ Д.В. Долгов// Строительные и дорожные машины. - 2013. - №6. - С. 45 - 47.

25. Долгов, Д.В. Принципы энергетического подхода при моделировании связанного грунта/ Д.В. Долгов// Строительные и дорожные машины. - 2013. - №5. -С. 38-40.

26. Долгов, Д.В. Виброуплотнение связного грунта в терминах первого начала термодинамики/ Д.В. Долгов// Строительные и дорожные машины. - 2013. - №8. -С. 51 -56.

27. Долгов, Д.В. Инженерное моделирование виброуплотнения грунтов слабого основания/Д.В. Долгов//Механизация строительства. - 2013. - №10. - С. 41 -45.

28. Долгов, Д.В. Псевдостабильные состояния связных грунтов при виброуплотении/ Д.В. Долгов// Механизация строительства. -2013. -№11. - С. 30-33.

29. Долгов, Д.В. Управляемая технология интенсивной консолидации грунтов/ Д.В. Долгов// Наука и техника в дорожной отрасли. - 2014. - №2. - С. 28-31.

Учебные пособия и публикации в других научных изданиях:

30. Рекомендации по интенсивной технологии и мониторингу строительства земляных сооружений на слабых основаниях/ Под общ. редакцией С.Я. Луцкого. - М.: Информационно-издательский центр «Тимр», 2005. - 96 с.

31. Долгов, Д.В. Интенсивная технология и мониторинг сооружения армированного земляного полотна на основаниях повышенной влажности/ С.Я. Луцкий, Д.В. Долгов// Науч.-технич. альманах «Проблемы развития транспортных и инженерных коммуникаций». - 2004. - № 2-3. - М.: Центр «ТИМР», 2004. - С. 7 - 13.

32. Долгов, Д.В. Теоретическое обоснование параметров интенсивных технологических режимов возведения насыпи на слабых основаниях/ Д.В. Долгов// Вестник МИИТа: Науч.-технич. журн. - вып. 11. - М.: МИИТ, 2004. - С. 53 - 56.

33. Долгов, Д.В. Совершенствование методики прогноза деформаций насыпи на оттаявшем слабом основании/ Д.В. Долгов// Труды Союздорнии, - Вып. 205. - М., 2004. -С. 74 - 84.

34. Долгов, Д.В. Новая интенсивная технология и мониторинг в сложных инженерных условиях/ С.Я. Луцкий, Д.В. Долгов// Строительная техника и технологии. -2005.-№1,-С. 86-92.

35. Долгов, Д.В. Теория и практика применения интенсивной технологии возведения насыпей на слабом основании/ С.Я. Луцкий, Д.В. Долгов// Труды междунар. конф. по геотехнике-т.2. - СПб, 2005. - С. 235-240.

36. Долгов, Д.В. Интенсивная технология сооружения земляного полотна на высокотемпературной вечной мерзлоте/ С.Я. Луцкий, Д.В. Долгов, П. Марьемаа// Вторая науч.-техн. конф. с междунар. участием: труды ОАО «РЖД», МИИТ. - М., 2005. -(Чтения, посвящ. памяти проф. Г.М. Шахунянца). - С. 154 - 156.

37. Долгов, Д.В. Строительство на вечной мерзлоте: ч. 1. Интенсивная технология против деградации/ С.Я. Луцкий, Е.С. Ашпиз, Д.В. Долгов, П. Марьемаа// Строительная техника и технологии, 2005, №4. - С. 84 - 86.

38. Долгов, Д.В. Строительство на вечной мерзлоте: ч. 2. Мониторинг и водоотводы на вечной мерзлоте/ С.Я. Луцкий, Е.С. Ашпиз, Д.В. Долгов, П. Марьемаа// Строительная техника и технологии, 2005, №5. - С. 68 - 72.

39. Долгов, Д.В. Глубинное уплотнение слабых оснований с применением интенсивной технологии/ С.Я. Луцкий, Д.В. Долгов, A.IO. Лустин// Третья науч.-техн. конф. с междунар. участием: труды ОАО «РЖД», МИИТ. - М., 2006. С. 89 - 92 - (Чтения, посвящ. памяти проф. Г.М. Шахунянца).

40. Долгов, Д.В. Организационно-технологический регламент и мониторинг сооружения земляного полотна/ СЛ. Луцкий, Т.В. Шепитько, П.М. Токарев, Д.В. Долгов, A.M. Черкасов// Промышленный транспорт XXI век. - 2008. - №2. - с. 31 - 35.

41. Долгов, Д.В. Восстановление производительности водозаборных скважин импульсным электровоздействие.// Материалы 1-й Всероссийской науч.-практич. конф. «Актуальные вопросы развития современной науки, техники и технологий». - М., 2010. -С. 52-54.

42. Долгов, Д.В. Микроисследования динамики воздействия электрического поля на движение воды в системе капилляров/ Д.В. Долгов, Э.М. Симкин// VIII Всерос. науч.-техн. конф. «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России»: труды. -М.: РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2010. - С. 161 - 162.

43. Долгов, Д.В. Дефектообразование на межфазных границах раздела в структуре иерархии автомобильной дороги/ Д.В. Долгов// Сб. материалов 2-й Междунар. науч.-практич. конф. «Проблемы и возможности современной науки». - Тамбов, 2011. -С. 77-81.

44. Долгов, Д.В. О корректности некоторых упрощений при расчете дорожной конструкции/ Д.В. Долгов// Сб. материалов 2-й Междунар. науч.-практич. конф. «Проблемы и возможности современной науки». - Тамбов, 2011. - С. 73 - 77.

45. Долгов, Д.В. Исследование порового давления в образцах грунта/ Д.В. Долгов// Материалы X Междунар. науч.-практич. конф. «Теория и практика современной науки». -Москва, 2013.-С 87-92.

Патенты:

46. Пат. 2273687 Рос. Федерация. МПК Е01СЗ/06. Дорожное полотно и способ его возведения/ С.Я. Луцкий, Е.С. Ашпиз, Д.В. Долгов; № 2005104907/03; заявл. 24.02.2005; опубл. 10.04.2006, Бюл. №10. - 9 с.

47. Пат. 2280727 Рос. Федерация. МПК Е01С11/24, Е01С11/26, Е01С5/00. Противогололедное покрытие и дорожная конструкция/ И.Ж. Хусаинов, Д.В. Долгов, Ф.Н. Шакирзянов, Е.С. Пшеничникова; № 2005118816/03; заявл. 17.06.2005; опубл. 27.07.2006, Бюл. №21. - 9 с.

48. Пат. 2337205 Рос. Федерация. МПК Е01С 3/06. Способ возведения земляного сооружения на слабых природных основаниях/ С.Я. Луцкий, Д.В. Долгов, Д.В. Судаков, А.Ю. Лустин; № 2007101699/03; заявл. 18.01.2007; опубл. 27.10.2008, Бюл. №30. - 8 с.

49. Пат. 2344275 Рос. Федерация. МПК Е21В 43/16. Способ стимулирования водоотдачи водоносных горизонтов через эксплуатационные скважины/ Д.В. Долгов, А.Д. Рыбаков; № 2007116657/03; заявл. 04.05.2007; опубл. 04.05.2007, Бюл. №2. - 8 с.

ДЛЯ ЗАМЕТОК

Заказ № 1248 от 15.07.2014г. Формат 60x90/16. Усл. печ 2,0л. Бумага офсетная. Тираж 110 экз. Отпечатано в типографии ООО « Аналитик» г. Москва, ул. Клары Цеткин, д. 18, стр.3 Тел. 617-09-24