автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Совершенствование метода проектирования дорожных одежд при стабилизации рабочего слоя земляного полотна

На правах рукописи

РАЗУВАЕВ Денис Алексеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ПРИ СТАБИЛИЗАЦИИ РАБОЧЕГО СЛОЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА (на примере Новосибирской области)

Специальность 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1Я НОЯ 2013

Новосибирск - 2013

005540603

005540603

Работа выполнена на кафедре «Геология, основания и фундаменты» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный университет путей сообщения» (СГУПС).

Научный руководитель: Ланис Алексей Леонидович,

кандидат технических наук, доцент.

Официальные оппоненты: Сиротюк Виктор Владимирович,

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия», профессор кафедры «Проектирование дорог»;

Ефименко Сергей Владимирович,

кандидат технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры «Автомобильные дороги».

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский государственный

университет путей сообщения» (МИИТ).

Защита состоится «12» декабря 2013 г. в 12-00 на заседании объединенного диссертационного совета ДМ218.012.01 в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» по адресу: 630049, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191, ауд. 224 (зал заседаний диссертационных советов); e-mail: lvs@stu.ru. тел. (383) 328-04-02, факс (383) 226-79-78.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения».

Автореферат разослан «11» ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат диссертации, подписанные и заверенные печатью организации, в двух экземплярах просим направлять в адрес диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук, доцент

Соловьев Леонид Юрьевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Одной из основных целей Постановления правительства Российской Федерации от 03.12.2002 г. № 858 (с изменениями от 28.04.2011 г.) «О федеральной целевой программе «Социальное развитие села до 2013 года» является расширение сети автомобильных дорог местного значения с твердым покрытием как главного фактора транспортной доступности для населения. Вместе с тем темпы строительства и реконструкции автомобильных дорог в малоосвоенных сельских районах сдерживает отсутствие достаточных запасов горных пород и, как следствие, высокая стоимость природных каменных материалов (щебня, гравия, песка), используемых при строительстве.

Одним из путей решения указанной проблемы является применение в конструктивных слоях дорожных одежд и рабочем слое земляного полотна автомобильных дорог IV-V категорий местных стабилизированных глинистых фунтов. При взаимодействии грунтового материала со стабилизаторами — многокомпонентными композициями различного состава, содержащими гидрофобизирующие и пластифицирующие добавки, — изменяются значения характеристик водостойкости, морозоустойчивости, плотности и, как результат, прочности и деформируемости глинистых грунтов.

Между тем основным препятствием для широкого применения стабилизаторов глинистых грунтов в регионах страны, обладающих специфичными природно-климатическими условиями, например в Западной Сибири, является нерешенность ряда задач. Так, фактически отсутствуют сведения об особенностях работы дорожных одежд переходного типа при стабилизации глинистых грунтов верхней части (толщиной, принимаемой на основании расчета на прочность и морозоустойчивость) рабочего слоя земляного полотна. Отсутствуют данные о нормативных и расчетных значениях характеристик стабилизированных глинистых грунтов, которые необходимы для расчета дорожных одежд на прочность, изменчивости свойств материала в зависимости от дорожного района. Недостаточно изучены характеристики морозоустойчивости и свободного набухания стабилизированных фунтов, а также зависимости характеристик прочности и деформируемости от влажности данного материала. Требуют уточнения методики расчета и контроля качества дорожных одежд при стабилизации верхней части рабочего слоя земляного полотна.

Решение перечисленных задач, направленных на повышение качества проектирования дорожных одежд при стабилизации глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна, особенно важно и актуально для развития транспортной сети нашей страны, в том числе равнинных районов Новосибирской области, испытывающих дефицит в природных каменных материалах. На территории данных районов расположено 2900 км автомобильных дорог, не имеющих твердого покрытия, что составляет 21 % от общей автотранспортной сети области.

Степень разработанности. Основы применения укрепленных глинистых грунтов в качестве материала в дорожном строительстве заложены в начале 30-х гг. XX в. М.М. Филатовым и В.В. Охотиным. Впоследствии значительный вклад в исследование материалов на основе укрепленных глинистых грунтов внесли В.М. Безрук,

A.К. Бируля, Л.Н. Ястребова, С.А. Голованенко, A.C. Еленович, В.М. Кнатько, Н.Я. Хархута, Ю.М. Васильев, JI.B. Гончарова; в том числе с учетом условий Сибири - Г.Н. Левчановский, A.B. Линцер, В.М. Могилевич, О.В. Тюменцева,

B.Н. Ефименко, В.В. Сиротюк и др. Анализ работ многих авторов позволяет выделить как одни из перспективных комплексные методы укрепления фунтов, действие которых заключается не только в повышении механических характеристик, но и в повышении уплотняемости, трещиностойкости, водо- и морозостойкости, а также морозоустойчивости. Исследования в данном направлении проводили такие ученые, как В.М. Безрук, Ю.М. Васильев, В.П. Агафонцева, О.В. Тюменцева, Г.Н. Левчановский, A.B. Линцер, А.П. Платонов, Л.Н. Ястребова, V. Ramachandran, V. Malhotra,

C. Jolicouer, N. Spiratos и др.

История развития технологии стабилизации началась с попыток гидрофобиза-ции фунтов. Первые исследования по гидрофобизации фунтов выполняли ученые М.М. Филатов, А.К. Бируля, П.А. Ребиндер, Л.Н. Ястребова, Б.В. Толстопятов, А.И. Лысихина, К.А. Князюк, О.В. Тюменцева, D.T. Davidson, J.M. Hoover, F.B. Kardoush, P.L. Nichols, R.L. Handy и др. В конце прошлого века выполнялись исследования применяемых в нашей стране стабилизаторов отечественного и зарубежного производства. Анализ результатов исследований, проведенных ГП «Росдор-НИИ» и СоюздорНИИ (В.М. Юмашев, С.Г. Фурсов, B.C. Исаев, Н.В. Медведев и др.), позволяет сделать вывод, что применение стабилизирующих добавок для глинистых фунтов и смесей фунта с вяжущим (главным образом цементом) является перспективным направлением в области автодорожного строительства. При этом

следует отметить, что все перечисленные исследования были выполнены для грунтовых и климатических условий европейской части России, и не дают комплексных данных для проектирования и строительства дорожных одежд, с применением того или иного типа стабилизатора на региональном уровне, и в том числе в Новосибирской области. Для решения этой проблемы сформулированы цель и задачи настоящей работы.

Объект исследования: стабилизированные глинистые грунты верхней части рабочего слоя земляного полотна на дорогах с переходным типом покрытия.

Предмет исследования: закономерности изменения физико-механических свойств региональных глинистых грунтов при их стабилизации.

Цель работы: повышение качества проектирования дорожных одежд в дорож-но-климатических зонах Новосибирской области путем учета изменения свойств глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна при их стабилизации.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Выявить особенности работы дорожных одежд переходного типа при стабилизации (добавкой «Регша-7уте 11Х») глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна в условиях различных дорожных районов Новосибирской области (дорожное районирование принимается по системе «зона-подзона— дорожный район» проф. В.Н. Ефименко, СТП ТУ АД 32-03-2000).

2. Экспериментально установить степень изменения параметров (прочности, деформируемости, морозного пучения и др.) преобладающих в природных и климатических условиях различных дорожных районов Новосибирской области глинистых грунтов при их стабилизации (в том числе с применением минерального вяжущего материала), а также получить зависимости прочностных и деформационных свойств исследованных смесей от относительной влажности и суммарного числа приложения расчетной нагрузки £7При этом необходимо рассмотреть преобладающие типы грунтов земляного полотна (супеси, суглинки и глины) для дорожных районов, расположенных в пределах II, III, IV дорожно-климатических зон с характерным 1-П типом местности по увлажнению, а также обладающих равнинным и холмистым рельефом.

3. В рамках дорожного районирования грунтов по СТП ТУ АД 32-03-2000 составить базу данных значений характеристик прочности и деформируемости глини-

стых грунтов с учетом их стабилизации добавками «Perma-Zyme», «Underbold», «Ni-koflob> и «ANT».

4. Получить зависимость расчетного общего модуля упругости на поверхности стабилизированного слоя грунта от значений модуля упругости грунта земляного полотна ¿Гзп и стабилизированного грунта £*ст, определенных в лабораторных условиях (с применением коэффициента кт, учитывающего метод определения деформационных характеристик), толщины /гст и материала стабилизированного слоя фунта, параметра нагружения d, коэффициента рассеивания напряжения «р.

5. Разработать алгоритм расчета и методику проектирования дорожных одежд переходного типа с учетом изменения свойств глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна при стабилизации.

Методология и методы исследования. Методологической основой для решения поставленных задач является системный подход к определению параметров стабилизированных грунтов с учетом влияния региональных природно-климатических и эксплуатационных факторов. В работе выполнены теоретические и комплексные экспериментальные исследования, в том числе на участках опытного строительства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые получены механические параметры (прочность, деформируемость, коэффициент морозного пучения и др.) глинистых фунтов, стабилизированных добавками «Perma-Zyme», «Underbold», «Nikoflok» и «ANT», для условий пяти дорожных районов (IV.P.l, II.X.1, III.P.4, III.P.1 и П.Р.1 по системе «зона-подзона-дорожный район») Новосибирской области. Получены корреляционные зависимости прочностных и деформационных свойств исследованных смесей от относительной влажности Wm и суммарного числа приложения расчетной нафузки 2WP.

2. Полученные корреляционные зависимости прочностных свойств стабилизированного материала от циклической нафузки и относительной влажности показали, что интенсивность снижения свойств стабилизированных фунтов как при многократном воздействии, так и при водонасыщении ниже, чем у нестабилизированных фунтов.

3. Получена формула, позволяющая определять общий модуль упругости на поверхности двухслойной системы «фунт - стабилизированный фунт» Е0бщ= f (Е?т, £*ст> КD d, Яр), с учетом коэффициента кт (отношения между результатами штампо-вых и компрессионных методов определения модуля упругости).

4. Разработаны алгоритм расчета и методика проектирования, повышающие качество проектных решений для строительства и реконструкции дорожных одежд переходного типа со стабилизацией фунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна.

Теоретическая и практическая значимость работы. Выполненные исследования позволили усовершенствовать методики расчета и проектирования дорожных одежд переходного типа с учетом изменения свойств глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна при стабилизации.

Определены расчетные значения характеристик прочности и деформируемости стабилизированных различными добавками («Perma-Zyme», «Underbold», «Nikoflok» и «ANT») глинистых грунтов в дорожных районах Новосибирской области. На основании полученных данных составлена региональная база данных. Материалы экспериментальных исследований легли в основу стандарта предприятия СТО ТУ АД 092010, выполненного по заказу ГКУ НСО «Территориальное управление автомобильных дорог». Основные положения работы, а также методика в целом разработаны и внедрены при проектировании и строительстве (ОАО «Новосибирскавтодор» и ООО «Новосибирскагропромдорстрой») автомобильных дорог в районах Новосибирской области, испытывающих дефицит в традиционных каменных материалах.

Положения, выносимые на защиту:

1) результаты экспериментальных исследований свойств стабилизированных (добавками «Perma-Zyme», «Underbold», «Nikoflok» и «ANT») глинистых грунтов, преобладающих в пяти дорожных районах (IV.P.l, II.X.1,1П.Р.4, III.P.1 и II.P.1) Новосибирской области с характерным I-II типом местности по увлажнению;

2) эмпирические зависимости механических свойств стабилизированных указанными добавками глинистых грунтов от относительной влажности Еу(W(n), c=f (W„J, ф =f(Ww), и суммарного числа приложения расчетной нагрузки с= f(£Np), Ф =f(TNp)> учитывающие природно-климатические условия пяти дорожных районов (IV.P.1, II.X.1, III.P.4, III.P.1 и II.P.1) Новосибирской области;

3) формула для определения общего модуля упругости на поверхности двухслойной системы «грунт - стабилизированный грунт» Е„-т= / (Е'1п, £*С1, h„, d, aj, учитывающая коэффициент кт\

4) алгоритм расчета и методика проектирования дорожных одежд переходного типа при стабилизации глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна.

Степень достоверности и апробация работы. Достоверность и обоснованность результатов работы гарантированы:

- методикой проведения экспериментальных исследований, включающей лабораторные испытания стабилизированных фунтов различных дорожных районов Новосибирской области, а также полевые работы на восьми специально построенных опытных участках автомобильных дорог;

- применением современных поверенных средств измерения и аттестованных испытательных комплексов геотехнической лаборатории, обеспечивающих требуемую точность и достаточный уровень надежности результатов определения физико-механических свойств стабилизированных грунтов;

— достаточным для проведения статистической обработки объемом экспериментальных данных;

— адекватностью результатов работы и данных опытного строительства.

Основные положения диссертационной работы обсуждались на II региональной

научно-практической конференции «Проблемы земляного полотна железных и автомобильных дорог в условиях Сибири» (Новосибирск, СГУПС, 2011 г.); научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения д-ра геол.-мин. наук, проф. Ф.А. Никитенко (Новосибирск, СГУПС, 2011 г.); Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс в дорожной отрасти юга России» (Волгоград, ВолгГАСУ, 2011 г.); Международной практической конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (Пермь, ПНИПУ, 2012 г.); семинаре-совещании по теме: «Технологии устройства земляного полотна, оснований и покрытий автомобильных дорог с применением неорганических и органических стабилизирующих материалов» (совещание вел министр транспорта Новосибирской области С.М. Титов с. Убинское Убинского района Новосибирской области, 16.07.2013 г.); объединенных научных семинарах кафедр ФГБОУ ВПО «СГУПС» (Новосибирск, 2013 г.), кафедр ФГБОУ ВПО «ТГАСУ» (Томск, 2013 г.), кафедр ФГБОУ ВПО «СибАДИ» (Омск, 2013 г.).

Публикации и изобретения. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в восьми печатных работах общим объемом 2,25 п. л. (в том числе авт. 1,32 п. л.), среди них две работы объемом 0,62 п. л. (в том числе авт. 0,41 п. л.) - в ведущих научных рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнау-ки России.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, содержащего 140 наименований работ. Объем диссертационного исследования - 180 страниц, работа включает 59 рисунков, 30 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследования и приведена общая характеристика работы.

В первой главе выполнен обзор способов укрепления (вяжущими материалами) и стабилизации грунтов в дорожной отрасли. Рассмотрены проблемы, возникающие при проектировании и строительстве дорог с учетом стабилизации грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна в климатических и геологических условиях Новосибирской области. Определен круг эффективных стабилизаторов для дальнейших исследований, дано обоснование выбранного направления работы.

Анализ результатов исследований природно-климатических особенностей Западно-Сибирского региона, выполненных С.И. Черноусовым, В.Н. Ефименко, C.B. Ефименко, А.О. Афиногеновым и другими, позволил сделать вывод о целесообразности учета региональной специфики грунтов, используемых для отсыпки земляного полотна автомобильных дорог, при разработке и внедрении методики проектирования дорожных одежд с учетом стабилизации фунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна.

Выявлен ряд преимуществ способа стабилизации глинистых грунтов рабочего слоя земляного полотна гидрофобизирующими и пластифицирующими добавками. Так, способ стабилизации пригоден практически для всех видов глинистых грунтов, в том числе тяжёлых суглинков и глин, имеющих широкое распространение на территории России (в частности на территории Новосибирской области); достаточно универсален, поскольку позволяет не только снизить значения величин свободного набухания и морозного пучения, но и за счет лучшей уплотняемости повысить характеристики прочности и деформируемости исходных грунтов; не требует большо-

го объема стабилизирующего вещества, что упрощает его использование с технологической точки зрения; обладает относительно низкой стоимостью по сравнению с комплексными методами, требующими дополнительных затрат на вяжущие компоненты.

Однако анализ опыта применения технологии стабилизации грунтов при строительстве и реконструкции автомобильных дорог местного значения в условиях Новосибирской области вскрыл ряд нерешенных вопросов, на основании которых были сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе представлены результаты полевых и лабораторных исследований стабилизированных глинистых грунтов. Состав экспериментальных исследований определен необходимостью решения сформулированных задач и представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 - Состав экспериментальных исследований

Экспериментальные исследования выполнены для грунтовых условий следующих участков дорог: «36 км а/д «Н-2806» - Новосилиш - Октябрьский»; «82 км а/д «М-53» - Станционно-Ояшинский - Кайлы»; «Убинское - Асенкритово - Раи-сино»; «Шилово - Новошилово»; «3 км а/д «Н-204» - Ивановка - Подольск - Гру-шевка»; «370 км а/д «К-17р» - Калиновка»; «1234 км а/д «М-51» - Крещенское»; «156 км а/д «К-02» - Межёвка - граница Северного района»; «Инская - Барышево -Садовод»; «109 км а/д «К-16» - Буготак - Репьево». На всех автомобильных дорогах, кроме двух последних, устраивались опытные участки с применением технологии стабилизации (добавка «Регша-гуте 1IX») глинистых фунтов земляного полотна.

Особенности работы дорожных одежд переходного типа при стабилизации глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна (задача 1) определены по результатам визуальных исследований. Исследовалась степень увлажнения земляного полотна, величина втапливания материала покрытия (щебня) в грунты рабочего слоя, а также состояние дорожной одежды по средневзвешенному баллу Бср. Отмечено, что при стабилизации грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна добавкой «Perma-Zyme» улучшается общее состояние дорожной одежды переходного типа в период эксплуатации.

Исследования степени изменения свойств грунтов земляного полотна при стабилизации выполнены для условий перечисленных ранее участков автомобильных дорог (задача 2) с использованием стабилизаторов «Perma-Zyme 1IX», «Underbold», «ANT» совместно с цементом и «Nicoflok» совместно с цементом (неизменяемые факторы эксперимента zb..., z5). В работе использовался портландцемент М400. Для рассмотренных участков дорог выделены семь групп грунтовых условий: супесь песчанистая дорожного района IV.P.1; суглинок легкий, пылеватый дорожного района II.X.1; суглинок тяжелый дорожного района II.X.1; суглинок тяжелый дорожного района II.P.1; суглинок тяжелый дорожного района III.P.4; глина легкая дорожного района III.P.1; глина легкая дорожного района III.P.4 (неконтролируемые факторы экспериментаd\,...,d-,). Эксперименты выполнены по матрице

■Mi - Zld7 X = : : .

Zsdi - z5d7.

Для каждого сочетания z, dt факторов эксперимента (фунтовые условия и тип стабилизатора) в необходимом для статистической обработки количестве повторений определены значения характеристик удельного сцепления с, угла внутреннего трения ф, предела прочности на сжатие R (для смесей с цементом), модуля упругости E}w, модуля деформации Е, относительного набухания ен и относительного морозного пучения см п стабилизированных фунтов. Характеристики прочности и деформируемости определены при различной степени водонасыщения.

Установлено, что в зависимости от вида фунта и типа стабилизатора удельное сцепление с увеличивается в пределах от 30 % до 5 раз, а угол внутреннего трения ф - до 60 % (для смесей без цемента). Для цементофунтов в зависимости от вида исходного фунта и типа стабилизатора предел прочности на одноосное сжатие R увеличивается в пределах от 5 % до 80 %.

При стабилизации наблюдается повышение значений модуля упругости грунтов Еупр, а также снижение параметров относительного набухания £„ и морозного пучения £„.„• В зависимости от вида фунта и типа стабилизатора модуль упругости Еупр увеличивается в пределах от 10 % до 6 раз, относительное набухание s„ уменьшается в пределах от 20 % до 90 %, относительное пучение ем.п уменьшается в пределах от 10 % до 90 %. Наилучшие показатели достигаются при одновременном применении стабилизатора и цемента. На рисунке 2 представлена характерная диа-фамма изменения модуля упругости, а на рисунке 3 - коэффициента морозного пучения фунтов земляного полотна для участков а/д «370 км а/д «К-17р» — Калиновка» и а/д «109 км а/д «К-16» Буготак - Репьево» соответственно при стабилизации различными добавками. Из анализа проведенных исследований парамефов морозоустойчивости можно сделать вывод, что стабилизированные фунты допускается использовать для частичной замены фунта верхней части рабочего слоя земляного полотна с целью уменьшения величины морозного пучения /пуч, а стабилизированные фунты с добавлением цемента приобретают свойства ненабухающих и непучини-стых, что позволяет использовать их как морозозащитные слои.

350

я

С 250

§

^ 150

_1 296 I 322 L322

__35___ 118 137 270" 1 ря і

^ц68 J В 112 В 116

К 1 ■1 ■1 1___ __ НИ

g. 50 м ні ж m в -щ □ wom

tq ; _

"50 Грунт Underbold Perma-Zyme Цемент 5% Цемент 5% Цемент 4% BWboa

и Nicoflok и ANT а/д «370 км а/д «К-17р» - Калиновка»

Рисунок 2 - Диафамма изменения модуля упругости грунта земляного полотна а/д «370 км а/д «К-17р» - Калиновка» при стабилизации

0Д 0,08 0,08

~ 0,06 of 0,04 0,02 0

0,05 0,01

. 0,035

001 0,01

_аяв _

Грунт Underbold Perma-Zyme Цемент 5% Цемент 5%и Цемент 4%

Nicoflok ANT

а/д «109 км а/д «К-16» - - Буготак — Репьево»

Рисунок 3 - Диафамма изменения коэффициента морозного пучения фунтов земляного полотна а/д «109 км а/д «К-16» - Буготак - Репьево» при стабилизации

Для назначения расчетных параметров стабилизированных фунтов разработана установка и проведены испытания материала при циклическом воздействии на образцы сдвигающих усилий, имитирующих многократное приложение расчетной нагрузки. В зависимости от вида грунта и типа стабилизатора при многократном приложении нагрузки (N2 ~ 1,5-105) удельное сцепление с снижается до 55 %, угол внутреннего трения ф снижается до 15 %.

Общее количество экспериментальных исследований позволило провести статистическую обработку и составить базу данных (задача 3) расчетных значений характеристик прочности (с и ф) и деформируемости (Еупр) стабилизированных добавками «Perma-Zyme», «Underbold», «Nikoflok» и «ANT» глинистых фунтов (выделено семь фупп, см. ранее), которые являются преобладающими в пяти дорожных районах (IV.P.1, П.Х.1, III.P.4, III.P.1 и II.P.1) Новосибирской области. Элементы базы данных частично включены в СТО ТУ АД 09-2010.

Определение параметров сжимаемости (модуль упругости Еупр) стабилизированных и нестабилизированных фунтов рабочего слоя земляного полотна в естественных условиях проводилось штампом (рисунок 4) по специально разработанной методике. Данные исследования позволили выявить и определить коэффициент зависимости между результатами штамповых и компрессионных исследований кт = f(e, Ip), на величину которого оказывают влияние коэффициент пористости и вид фунта.

В третьей главе разработаны рекомендации к расчету дорожных одежд переходного типа с учетом изменения свойств глинистых фунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна при стабилизации.

а) б)

Рисунок 4 - Установка для проведения штамповых испытаний стабилизированных фунтов: а — штамп с домкратом; б - фузовая платформа Уточнена зависимость (задача 4) расчетного общего модуля упругости на поверхности стабилизированного слоя фунта от деформационных характеристик

фунта земляного полотна и стабилизированного фунта (£*зп, £"ст), определенных в лабораторных условиях (при компрессионном сжатии). Данная зависимость учитывает толщину И„ стабилизированного слоя фунта, параметр нафужения сі (диаметр отпечатка колеса расчетного автомобиля), коэффициент кт, а также коэффициент рассеивания напряжения ар:

„ __Ь-2Е„ктЕ*п_

^общ — / И \ ' '

Я« кт{к - /іст)2 + 2£"3КП [к -

где

Л = 2-р=; /ст = -0,97 • ЕХ/>[0,01/р] • (0,33(еСТ - 0,32)2 - 1,60),

7ар

где ест — коэффициент пористости стабилизированного фунта; 1р — число пластичности фунта в ед. Граничные условия для формулы (1): 0,20 < йст< 2с1\\ и 1 < 1Р< 25.

Установлено, что полученные по формуле (1) значения расчетного общего модуля упругости на поверхности стабилизированного слоя фунта соответствуют, с допустимыми отклонениями, значениям, определенным по результатам штамповых испытаний.

Для назначения расчетных характеристик прочности и деформируемости установлены зависимости механических параметров стабилизированных фунтов от относительной влажности 1¥т и суммарного числа приложения расчетной нафузки ^/^р, которые в общем виде записываются:

с" = Оо" - (2)

< = « - а-11п(ХМр))Ь*ек><"; (3)

Е" = (4)

где с"о, и - соответственно нормативное значение удельного сцепления (кПа), угла внутреннего трения (фад) и модуля упругости (МПа) стабилизированного фунта при оптимальной влажности; ася, а\,, кся, кЕц, Ьс5„ Ь'\„ Ь'\, - установленные в зависимости от типа фунта и применяемого стабилизатора эмпирические коэффициенты (внесены в базу данных, составленную для стабилизированных фунтов Новосибирской области). Граничные условия для формул (2), (3) и (4): 0< 1,5-105и 0,55 < <0,90.

Полученные корреляционные зависимости (2), (3) и (4) механических параметров стабилизированного материала от суммарного числа приложения расчетной

нагрузки и относительной влажности показали, что интенсивность снижения свойств стабилизированных фунтов как при многократном воздействии, так и при водона-сыщении ниже, чем у нестабилизированных фунтов. На фафике (рисунок 5, а) в качестве примера указаны интенсивности снижения удельного сцепления для стабилизированной и нестабилизированной супеси отобранной с а/д «370 км а/д «К-17р» -Калиновка» от числа приложения расчетной нафузки (с'р/с0р — отношение удельного сцепления при Х'Ч» = М к начальному значению при ~}1\гр = 0). На фафике (рисунок 5, б) в качестве примера указаны интенсивности снижения модуля упругости для стабилизированной и нестабилизированной глины отобранной с а/д «Убин-ское — Асенкритово — Раисино» от относительной влажности (£'р/Ё0р - отношение текущего значения модуля упругости, при 1Ут < IVот < 0,9, к начальному значению при относительной влажности соответствующей оптимальной).

Предложена формула для определения величины морозного пучения дорожной одежды с учетом стабилизации верхней части рабочего слоя земляного полотна

I пуч = Д^гр + АЛсг (5)

где Д/?ф — абсолютная деформация пучения исходного фунта земляного полотна, попадающего в зону промерзания г^; Ак„ — абсолютная деформация пучения стабилизированного слоя фунта. а) б)

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

- Супесь - -

I 1000 10000 юоооо Супесь+Регта-гуте

1,20 1,0(1 0,80 0,60 0,40 0,20

0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95

1Гог

-Суглинок---Суглинок+Регта-гуте

Рисунок 5 - Интенсивности снижения параметров (с и £упр) стабилизированных и нестабилизированных фунтов: а - от суммарного числа приложения расчетной нафузки; б - от относительной влажности (£?р =/(Жт); ср (ХАУ) На основании полученных в третьей главе решений разработан общий алгоритм расчета (задача 5) дорожных одежд переходного типа с учетом изменения свойств

глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна при стабилиза-

ции (рисунок 6).

При реализации алгоритма расчета вводятся исходные данные: К^1 и К^2 -

требуемые коэффициенты прочности по критерию упругого прогиба и сдвига; Qvжн -расчетная нагрузка от колеса; Р — расчетное давление; ХЛ^ — суммарное число приложений расчетной нагрузки; 1УР — расчетная относительная влажность; Нп""" и Н0тт — минимально допустимые толщины покрытия и основания; тип грунта земля-

ного полотна; Еп и Еп - модули упругости покрытия и основания; с,1ь срГ1> £гр - механические параметры грунта земляного полотна; с", ф0ст, Е" - механические параметры стабилизированного грунта (далее СГ) при оптимальной влажности; ст начальная толщина слоя СГ; £м.п- коэффициент пучения СГ; 1Р - число пластичности СГ; /^упл - коэффициент уплотнения СГ; /доп - допускаемое пучение грунта; Ну -уровень грунтовых вод; К^ - коэффициент уплотнения грунта земляного полотна. Условные обозначения: 1\п и 1гт - толщины морозозащитных и теплоизолирующих слоев; ЯпиЯ0-толщины слоев СГ и основания; К1 и К2 - единовременные затраты по вариантам.

В четвертой главе разработана методика проектирования (задача 5) дорожных одежд переходного типа с учетом изменения свойств глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна при стабилизации (рисунок 7).

Условные обозначения и аббревиатуры, используемые в алгоритме проектирования дорожных одежд переходного типа следующие: ДО - дорожная одежда; ССГ -стабилизированный слой грунта; В, - вариант конструкции дорожной одежды с применением технологии стабилизации (принимаются к сравнению все исследованные и новые типы стабилизирующих добавок при их наличии) грунтов в рабочем слое земляного полотна; Б, — вариант конструкции дорожной одежды из каменных и песчаных материалов, укрепленных органическими и неорганическими вяжущими грунтов, в том числе с применением геотекстиля, георешеток, геосеток и т.д.; БД - база данных параметров стабилизированных глинистых грунтов Новосибирской области; КК - контроль качества; ¿уч - длина контролируемого участка.

Разработан способ приемочного контроля качества работ при стабилизации верхней части рабочего слоя земляного полотна. Способ основан на применении двух типов контроля, используемых в зависимости от протяженности контролируемого участка. Условные обозначения, используемые в алгоритме приемочного контроля качества: Е, с, ф, см п, £„, Куш - соответственно модуль упругости, удельное сцепление, угол внутреннего трения, коэффициент пучения, относительное набухание, коэффициент уплотнения стабилизированного грунта; Ещ, Сщ, фпр, е^м.™ ^упл ~ проектные (требуемые) значения тех же величин. При стабилизации грунтов различными добавками совместно с цементом вместо контролируемых параметров удельного сцепления с и угла внутреннего трения ф применяется предел прочности на одноосное сжатие Я.

БД

Дополнительные исследования

Г Начало А ^проектирования )

I

Назначение вариантов ДО со

ССГ:В,3,.....Вп.

Назначение альтернативных вариантов ДО: Б, Б;.....Ь:;

I ~

Проверка наличия грунтовых условий и типов стаб-ов по вариантам: Р,.В:.....Вп в БД

Расчет вариантов ЦО: В1.В>...,В„пс рис. 6

Расчет вариантов ДО ББ>...,БП по ОДН 218.046-01

Выбор вариантов по результатам

технико-экономического сравнения

Т

/Конструкции ' дорожной / одежды /

X

Назначение КК

онт{юль

ДО по СНнП 3.06.03-85

Назначение

входного ii

операционного контроля ССГ

чонтроль Г ДО по СНнП 3.06.03-85

Конец проектирования

Рисунок 7 - Алгоритм проектирования дорожных одежд переходного типа с учетом изменения свойств глинистых

Алгоритм приемочного контроля качества представлен на рисунке 8.

Рисунок 8 — Алгоритм выполнения приемочного контроля качества Внедрение способа приемочного контроля качества выполнено на а/д «156 км а/д «К-02» - Межёвка», где протяженность контролируемого участка составляла 900 м. Лабораторные исследования стабилизированных грунтов при различном коэффициенте уплотнения позволили получить корреляционные зависимости (рисунок 9) характеристик прочности и деформируемости от коэффициента уплотнения: Est = 60,06 ■ ЯЛТ[0,831 ■ Купл\, cst = 2,050 ■ ЯХР[4,068 • Купл\-cpst = 14,801 ■ ЕХР[0,511 ■ Купл\. Для проверки адекватности данных зависимостей

проведены дополнительные исследования. В точках определения коэффициентов уплотнения стабилизированного слоя грунта, дополнительно отбирались образцы ненарушенной структуры с последующим определением характеристик прочности и деформируемости в геотехнической лаборатории. На рисунке 9 с установленными корреляционными зависимостями нанесены (точками) значения характеристик прочности и деформируемости, определенные по результатам дополнительных исследований. Статистический анализ данных по критерию Фишера позволяет сделать вывод об адекватности зависимостей, полученных в лабораторных условиях.

0,90

Рисунок 9 — Корреляционные зависимости характеристик прочности и деформируемости от коэффициента уплотнения для условий а/д «156 км а/д «К-02» -

Межёвка»

Применение разработанного способа контроля качества при протяженности участков дорог более 300 м позволяет сократить дополнительные единовременные капитальные затраты на выполнение контрольных мероприятий на АКкк= 120 тыс. р., включая НДС (к уровню цен 2013 г.) на каждые 500 м протяженности участка сверх первых 300 м (по сравнению со способами, предусматривающими только непосредственные лабораторные исследования характеристик стабилизированных грунтов), что подтверждается актом об использовании результатов диссертационных исследований.

Внедрение методики проектирования дорожной одежды переходного типа со стабилизацией грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна выполнено на а/д «156 км а/д «К-02» - Межёвка - граница Северного района», что подтвержда-

ется актом об использовании результатов диссертационных исследований. Для данной автомобильной дорога выполнено конструирование и расчет дорожной одежды по допускаемому упругому прогибу, условию сдвигоустойчивости в стабилизированном слое грунта, условию сдвигоустойчивости в грунте земляного полотна, и условию морозоустойчивости.

Построенный с использованием разработанной методики проектирования участок автомобильной дороги успешно прошел государственную приемку и введен в эксплуатацию в 2010 г. При реализации проектного решения получен единовременный эффект (к уровню цен 2010 г.) в размере до ДА" =1,9 млн р. (экономия 23 % к стоимости строительства дорожной одежды) с предполагаемой экономией текущих затрат до АС =150 тыс. р. в год на 1 км автомобильной дороги (по отношению к варианту дорожной одежды, запроектированной без применения технологии стабилизации).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

1) Анализ результатов обследования восьми опытных участков автомобильных дорог Новосибирской области показал, что при стабилизации грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна добавкой «Perma-Zyme» улучшается общее состояние дорожной одежды переходного типа в период эксплуатации. Разница средневзвешенного балла БСр, оценивающего состояние дорожной одежды участков, построенных со стабилизацией верхней части рабочего слоя земляного полотна, относительно участков, построенных без применения стабилизатора, составляет 0,3 пункта при сроке эксплуатации 1 год, 0,3-0,4 пункта при сроке эксплуатации 2-3 года и 0,4-0,7 пункта при сроке эксплуатации 4-5 лет.

2) Выполнены экспериментальные исследования, которые подтверждают положительный эффект от применения стабилизаторов («Perma-Zyme», «Underbold», «Nikoflok» и «ANT») для глинистых фунтов дорожных районов Новосибирской области. В зависимости от вида фунта и типа стабилизатора удельное сцепление с увеличивается в пределах от 30 % до 5 раз, угол внутреннего трения ф увеличивается до 60 % (оба параметра для стабилизированных фунтов), предел прочности на одноосное сжатие стабилизированных цементофунтов R увеличивается в пределах от 5 % до 80 %, модуль упругости .Еупр увеличивается в пределах от 10% до 6 раз (макси-

мальные показатели данного параметра достигаются при одновременном применении стабилизатора и цемента в объеме 5 % от массы фунта).

Опытным путем установлено, что исследованные виды фунтов, обработанные стабилизаторами «Perma-Zyme» и «Underbold», снижают величину пучения в пределах от 10 % до 60 %. Те же виды фунтов, обработанные стабилизаторами «Nicoflok» и «ANT» совместно с цементом, приобретают свойства непучинистых, что позволяет использовать их в качестве морозозащитных слоев.

3) По результатам обработки лабораторных исследований получены зависимости прочностных и деформационных свойств стабилизированных («Perma-Zyme», «Underbold», «Nikoflok» и «ANT») глинистых фунтов пяти дорожных районов Новосибирской области (IV.P.1, П.Х.1, III.P.4, III.P.1 и II.P.1 по СГЛ ТУАД 32-03-2000) от относительной влажности Wm и суммарного числа приложения расчетной нафуз-ки YNp- Составлена база данных расчетных значений прочностных и деформационных характеристик исследованных глинистых фунтов с учетом их стабилизации.

Полученные корреляционные зависимости прочностных свойств стабилизированного материала от циклической нафузки и относительной влажности показали, что интенсивность снижения свойств стабилизированных фунтов как при многократном воздействии, так и при водонасьпцении ниже, чем у нестабилизированных фунтов.

4) Получено решение для определения общего модуля упругости на поверхности стабилизированного слоя фунта в зависимости от деформационных характеристик фунта земляного полотна и стабилизированного фунта (£*1П, F?„), определенных в лабораторных условиях (с учетом коэффициента кт), коэффициента рассеивания напряжения ар, толщины hCT и материала стабилизированного слоя фунта, параметра нафужения d.

5) Выполненные исследования позволили разработать алгоритм расчета и методику проектирования, повышающую качество проектных решений для строительства и реконструкции дорожных одежд переходного типа со стабилизацией фунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна. Разработанная методика проектирования внедрена на участке а/д «156 км а/д «К-02» - Межёвка — фаница Северного района», который введен в эксплуатацию в 2010 г. При реализации проектного решения получен единовременный эффект (к уровню цен 2010 г.) в размере до

ДК =1,9 млн р. (экономия 23 % к стоимости строительства дорожной одежды) на 1 км автомобильной дороги.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в ведущих научных рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки России

1. Разуваев, Д. А. Исследование динамических воздействий автотранспортом на дорожную одежду, закрепленную синтетическим полимером / Ю. П. Смолин, Д. А. Разуваев, А. Л. Ланис // Вестник ТГАСУ. - 2012. - № 2 (35). - С. 230-234. (0,31 п. л./0,10 п. л.).

2. Разуваев, Д. А. Определение деформационных параметров верхней части рабочего слоя земляного полотна // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. - Омск: СибАДИ, 2013. -№ 4 (32). -С. 71-75. (0,31 п. л.).

Публикации в журналах и научных сборниках

3. Смолин, Ю. П. К оценке параметров вибрационного воздействия транспортных средств на грунты земляного полотна эксплуатируемых автомобильных дорог / Ю. П. Смолин, Д. А. Разуваев, К. В. Востриков // Геотехнические проблемы нового строительства и реконструкции : сб. тр. Всерос. науч.-техн. семинара / НГАСУ. - Новосибирск, 2011. -С. 101-103. (0,19 п. л./0,06 п. л.).

4. Разуваев, Д. А. Использование полимерных материалов для улучшения свойств грунтов основания дорожных одежд / Д. А. Разуваев, Ю. П. Смолин // Инженерная геология, механика фунтов, основания и фундаменты: тр. науч.-техн. конф., посвященной 100-летию со дня рождения д-ра геол.-мин. наук, проф. Ф. А. Никитен-ко / Отв. ред. А. М. Караулов. - Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2011. - С. 77-83. (0,44 п. л ./0,22 п. л.).

5. Разуваев, Д. А. Использование современных синтетических материалов при устройстве слоев дорожных одежд и земляного полотна автомобильных дорог. Экспериментальные исследования свойств фунтов, обработанных стабилизатором Реппа-7уше 1IX // Молодежь и научно-технический прогресс в дорожной отрасли юга России : мат-лы V Междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 11—13 мая 2011 г., Волгофад / сост. и ред. М. М. Девятое, С. В. Алекси-ков, С. Л. Туманов, А. И. Лескин. - Волгофад : ВолгГАСУ, 2011. - С. 47-50. (0,25 п. л.).

6. Разуваев, Д. А. Опыт разработки стандарта предприятия для проектирования, строительства и контроля качества основания и дорожной одежды с применением стабилизаторов фунтов / Д. А. Разуваев, А. Л. Ланис // Молодежь и научно-технический професс в дорожной отрасли юга России : мат-лы V Междунар. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 11-13 мая 2011 г., Волгофад / сост. и ред. М. М. Девятов, С. В. Алексиков, С. JI. Туманов, А. И. Лескин. - Волгофад : ВолгГАСУ, 2011.-С. 54-55. (0,12 п. л./0,06 п. л.).

7. Разуваев, Д. А. Использование стабилизаторов фунтов при расширении сети автомобильных дорог местного значения / Д. А. Разуваев, А. Л. Ланис // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе : мат-лы Междунар. науч.-пракг. конф., посвященной 200-й годовщине победы России в Отечественной войне 1812 г., Пермь, 26-28 апреля 2012 г. / под ред. Б. С. Юшкова. - Пермь : ПНИПУ, 2012.-Т. 3. - С. 223-228. (0,38 п. л./0,19 п. л.).

8. Смолин, Ю. П. К вопросу расчета фунтов дорожных одежд на сдвигоустой-чивость при динамических нафузках / Ю. П. Смолин, Д. А. Разуваев // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. - Новосибирск : Изд-во СГУПСа, 2012.-№28. -С. 53-56. (0,25 п. л./0,13 п. л.).

РАЗУВАЕВ ДЕНИС АЛЕКСЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ПРИ СТАБИЛИЗАЦИИ РАБОЧЕГО СЛОЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОША (на примере Новосибирской области)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

по специальности 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей» (технические науки)

Подписано в печать «06» ноября 2013 г. 1,5 печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № Издательство ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения» 630049, Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ»

На правах рукописи

0420145131?

РАЗУВАЕВ ДЕНИС АЛЕКСЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ПРИ СТАБИЛИЗАЦИИ РАБОЧЕГО СЛОЯ

ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА (на примере Новосибирской области)

Специальность 05.23.11 - «Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

А.Л. Ланис

Новосибирск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ОПЫТА СТАБИЛИЗАЦИИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ В ДОРОЖНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ..................................................... 13

1.1. Исторический обзор методик укрепления и стабилизации

глинистых грунтов в дорожном строительстве.................................... 13

1.2. Опыт стабилизации глинистых грунтов в Новосибирской

области...................................................................................... 25

1.2.1. Грунтовые условия региона................................................ 25

1.2.2. Применение стабилизаторов глинистых грунтов..................... 32

1.3. Анализ опыта проектирования дорожных одежд переходного типа с применением технологии стабилизации глинистых грунтов в Новосибирской области.............................................................................. 41

Выводы по главе 1....................................................................... 47

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРИ СТАБИЛИЗАЦИИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ........................................ 51

2.1. Методика, способы и приборы, используемые при проведении экспериментальных исследований.................................................... 51

2.1.1. Визуальные исследования..................................................... 52

2.1.2. Лабораторные исследования.................................................. 56

2.1.3. Полевые исследования......................................................... 62

2.2. Исследование особенностей работы дорожных одежд при стабилизации грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна................. 66

2.2.1. Влияние стабилизации верхней части рабочего слоя земляного полотна на работу дорожной одежды.............................................. 71

2.2.2. Влияние стабилизации грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна на его работу....................................................... 74

2.2.3. Определение комплексного транспортно-эксплуатационного показателя состояния дорожной одежды................................................ 75

2.3. Исследование степени изменения свойств грунтов земляного полотна 77 при стабилизации........................................................................

2.3.1. Исследование параметров прочности....................................... 80

2.3.2. Исследование параметров деформируемости............................. 84

2.3.3. Исследование параметров прочности при циклической нагрузке... 89

2.4. Определение параметров сжимаемости стабилизированных грунтов

рабочего слоя земляного полотна в естественных условиях.................... 90

Выводы по главе 2....................................................................... 95

ГЛАВА 3. РЕКОМЕНДАЦИИ К РАСЧЕТУ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ПРИ СТАБИЛИЗАЦИИ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ РАБОЧЕГО СЛОЯ...................................................................................... 98

3.1. Определение расчетного общего модуля упругости на поверхности стабилизированного слоя грунта.................................................... 101

3.2. Установление зависимости физико-механических параметров стабилизированных грунтов от относительной влажности и суммарного числа приложения расчетной нагрузки............................................ 113

3.3. Определение морозоустойчивости дорожной одежды с учетом применения стабилизированных грунтов................................................... 122

3.4. Разработка общего алгоритма расчета дорожных одежд при стабилизации грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна............... 127

Выводы по главе 3...................................................................... 129

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД ПРИ СТАБИЛИЗАЦИИ ГРУНТОВ ВЕРХНЕЙ

ЧАСТИ РАБОЧЕГО СЛОЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА............................ 131

4.1. Методика проектирования дорожных одежд при стабилизации грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна........................... 131

4.1.1. Общий алгоритм проектирования........................................... 131

4.1.2. Оценка сравнительной экономической эффективности вариантов дорожных одежд при стабилизации рабочего слоя земляного полотна ... 133

4.1.3. Создание базы данных по стабилизированным грунтам Новосибирской области......................................................................... 137

4.1.4. Разработка способа проведения контроля качества при стабилизации верхней части рабочего слоя земляного полотна........................... 147

4.2. Внедрение методики проектирования дорожной одежды переходного типа при стабилизации грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна..................................................................................... 153

4.2.1. Составление и внедрение элементов базы данных по стабилизированным грунтам при разработке стандарта предприятия....................... 153

4.2.2. Внедрение способа контроля качества при проведении контрольных испытаний автомобильных дорог........................................... 155

4.2.3. Внедрение методики проектирования дорожной одежды на участке

а/д « 156 км а/д «К-02» - Межёвка - граница Северного района»........... 160

Выводы по главе 4..................................................................... 163

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.............................................................................. 165

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК................................................... 167

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Одной из основных целей Постановления правительства Российской Федерации от 03.12.2002 г. № 858 (с изменениями от 28.04.2011 г.) «О федеральной целевой программе «Социальное развитие села до 2013 года» [79] является расширение сети автомобильных дорог местного значения с твердым покрытием как главного фактора транспортной доступности для населения. Вместе с тем темпы строительства и реконструкции автомобильных дорог в малоосвоенных сельских районах сдерживает отсутствие достаточных запасов горных пород и, как следствие, высокая стоимость природных каменных материалов (щебня, гравия, песка), используемых при строительстве.

Одним из путей решения указанной проблемы является применение в конструктивных слоях дорожных одежд и рабочем слое земляного полотна автомобильных дорог 1У-У категорий местных стабилизированных глинистых грунтов. При взаимодействии грунтового материала со стабилизаторами — многокомпонентными веществами различного состава, содержащими гидрофобизирующие и пластифицирующие добавки, - изменяются значения характеристик водостойкости, морозоустойчивости, плотности и, как результат, прочности и деформируемости глинистых грунтов.

Между тем основным препятствием для широкого применения стабилизаторов глинистых грунтов в регионах страны, обладающих специфичными природно-климатическими условиями, например в Западной Сибири, является нерешенность ряда задач. Так, фактически отсутствуют сведения об особенностях работы дорожных одежд переходного типа при стабилизации глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна. Отсутствуют данные о нормативных и расчетных значениях характеристик стабилизированных глинистых грунтов, которые необходимы для расчета дорожных одежд на прочность, изменчивости свойств материала в зависимости от дорожного района. Недостаточно изучены характеристики морозоустойчивости и свободного набухания стабилизированных грунтов, а также зависимости характеристик прочности и деформируемости от

влажности данного материала. Требуют уточнения методики расчета и контроля качества дорожных одежд при стабилизации верхней части рабочего слоя земляного полотна. Под термином «верхняя часть рабочего слоя земляного полотна» понимается конструктивный слой земляного полотна, расположенный непосредственно под конструкцией дорожной одежды, а также обладающий толщиной, принимаемой на основании расчета на прочность и морозоустойчивость.

Решение перечисленных задач, направленных на повышение качества проектирования дорожных одежд при стабилизации глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна, особенно важно и актуально для развития транспортной сети нашей страны, в том числе равнинных районов Новосибирской области, испытывающих дефицит в природных каменных материалах. На территории данных районов расположено 2900 км автомобильных дорог, не имеющих твердого покрытия, что составляет 21 % от общей автотранспортной сети области.

Степень разработанности. Основы применения укрепленных глинистых грунтов в качестве материала в дорожном строительстве заложены в начале 30-х гг. XX в. М.М. Филатовым и В.В. Охотиным [111, 112, 113, 77]. Впоследствии значительный вклад в исследование материалов на основе укрепленных глинистых грунтов внесли В.М. Безрук, А.К. Бируля, Л.Н. Ястребова, С.А. Голо-ваненко, A.C. Еленович, В.М. Кнатько, Н.Я. Хархута, Ю.М. Васильев, Л.В. Гончарова [13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 127, 128, 129, 130, 26, 27, 58, 59, 115, 116, 117, 24, 28]; в том числе с учетом условий Сибири - Г.Н. Левчановский, A.B. Линцер, В.М. Могилевич, О.В. Тюменцева, В.Н. Ефименко, В.В. Сиротюк и др. [66, 67, 68, 106, 107 108, 44, 45, 46, 47, 94]. Анализ работ многих авторов позволяет выделить как одни из перспективных комплексные методы укрепления грунтов, действие которых заключается не только в повышении механических характеристик, но и в повышении уплотняемости, трещиностойкости, водо- и морозостойкости, а также морозоустойчивости. Исследования в данном направлении проводили такие ученые, как В.М. Безрук, Ю.М. Васильев, В.П. Агафонцева, О.В. Тюменцева, Г.Н. Левчановский, A.B. Линцер, А.П. Платонов, Л.Н. Ястребо-

ва, V. Ramachandran, V. Malhotra, С. Jolicouer, N. Spiratos и др. [13, 14, 15, 16, 17, 18, 19,24, 3, 106, 107, 108, 66, 67, 78,127, 128, 129, 130, 137].

История развития технологии стабилизации началась с попыток гидрофоби-зации грунтов. Первые исследования по гидрофобизации грунтов выполняли ученые М.М. Филатов, А.К. Бируля, П.А. Ребиндер, JI.H. Ястребова, Б.В. Толстопя-тов, А.И. Лысихина, К.А. Князюк, О.В. Тюменцева, D.T. Davidson, J.M. Hoover, F.B. Kardoush, P.L. Nichols, R.L. Handy и др. [Ill, 112, 113, 20, 21, 87, 88, 89, 90, 127, 128, 129, 130, 105, 15, 106, 107, 108, 132, 133, 134, 136]. В конце прошлого века выполнялись исследования применяемых в нашей стране стабилизаторов отечественного и зарубежного производства. Анализ результатов исследований, проведенных ГП «РосдорНИИ» и СоюздорНИИ (В.М. Юмашев, С.Г. Фурсов, B.C. Исаев, Н.В. Медведев и др. [126, 114]), позволяет сделать вывод, что применение стабилизирующих добавок для глинистых грунтов и смесей грунта с вяжущим (главным образом цементом) является перспективным направлением в области автодорожного строительства. При этом следует отметить, что все перечисленные исследования были выполнены для грунтовых и климатических условий европейской части России и не дают комплексных данных для проектирования и строительства дорожных одежд с применением того или иного типа стабилизатора на региональном уровне, и в том числе в Новосибирской области. Для решения этой проблемы сформулированы цель и задачи настоящей работы.

Объект исследования: стабилизированные глинистые грунты верхней части рабочего слоя земляного полотна на дорогах с переходным типом покрытия.

Предмет исследования: закономерности изменения физико-механических свойств региональных глинистых грунтов при их стабилизации.

Цель работы: повышение качества проектирования дорожных одежд в до-рожно-климатических зонах Новосибирской области путем учета изменения свойств глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна при их стабилизации.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Выявить особенности работы дорожных одежд переходного типа при стабилизации (добавкой «Регта-2уте ИХ») глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна в условиях различных дорожных районов Новосибирской области (дорожное районирование принимается по системе «зона-подзона-дорожный район» проф. В.Н. Ефименко, СТП ТУАД 32-03-2000 [104]).

2. Экспериментально установить степень изменения параметров (прочности, деформируемости, морозного пучения и др.) преобладающих в природных и климатических условиях различных дорожных районов Новосибирской области глинистых грунтов при их стабилизации (в том числе с применением минерального вяжущего материала), а также получить зависимости прочностных и деформационных свойств исследованных смесей от относительной влажности РГ0Т и суммарного числа приложения расчетной нагрузки При этом необходимо рассмотреть преобладающие типы грунтов земляного полотна (супеси, суглинки и глины) для дорожных районов, расположенных в пределах II, III, IV дорожно-климатических зон с характерным 1-П типом местности по увлажнению, а также обладающих равнинным и холмистым рельефом.

3. В рамках дорожного районирования грунтов по СТП ТУАД 32-03-2000 [104] составить базу данных значений характеристик прочности и деформируемости глинистых грунтов с учетом их стабилизации добавками «Регта-2уте», «Ш-ёегЬоИ», «МкоАок» и «АЫТ».

4. Получить зависимость расчетного общего модуля упругости на поверхности стабилизированного слоя грунта от значений модуля упругости грунта земляного полотна Екзп и стабилизированного грунта Екст, определенных в лабораторных условиях (с применением коэффициента кт, учитывающего метод определения деформационных характеристик), толщины //ст и материала стабилизированного слоя грунта, параметра нагружения ¿/, коэффициента рассеивания напряжения СХр.

5. Разработать алгоритм расчета и методику проектирования дорожных одежд переходного типа с учетом изменения свойств глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна при стабилизации.

Методология и методы исследования. Методологической основой для решения поставленных задач является системный подход к определению параметров стабилизированных грунтов с учетом влияния региональных природно-климатических и эксплуатационных факторов. В работе выполнены теоретические и комплексные экспериментальные исследования, в том числе на участках опытного строительства.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые получены механические параметры (прочность, деформируемость, коэффициент морозного пучения и др.) глинистых грунтов, стабилизированных добавками «Perma-Zyme», «Underbold», «Nikoflok» и «ANT», для условий пяти дорожных районов (IV.P.l, II.X.l, III.P.4, III.P.1 и II.P.1 по системе «зона-подзона-дорожный район») Новосибирской области. Получены корреляционные зависимости прочностных и деформационных свойств исследованных смесей от относительной влажности W0T и суммарного числа приложения расчетной нагрузки YFp-

2. Полученные корреляционные зависимости прочностных свойств стабилизированного материала от циклической нагрузки и относительной влажности показали, что интенсивность снижения свойств стабилизированных грунтов как при многократном воздействии, так и при водонасыщении ниже, чем у нестабилизи-рованных грунтов.

3. Получена формула, позволяющая определять общий модуль упругости на поверхности двухслойной системы «грунт - стабилизированный грунт» Еобщ = /(Екзп, /гст, d, dp), с учетом коэффициента кт (отношения между результатами штамповых и компрессионных методов определения модуля упругости).

4. Разработаны алгоритм расчета и методика проектирования, повышающие качество проектных решений для строительства и реконструкции дорожных одежд переходного типа со стабилизацией грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна.

Теоретическая и практическая значимость работы. Выполненные исследования позволили усовершенствовать методики расчета и проектирования до-

рожных одежд переходного типа с учетом изменения свойств глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна при стабилизации.

Определены расчетные значения характеристик прочности и деформируемости стабилизированных различными добавками («Perma-Zyme», «Underbold», «Nikoflok» и «ANT») глинистых грунтов в дорожных районах Новосибирской области. На основании полученных данных составлена региональная база данных. Материалы экспериментальных исследований легли в основу стандарта предприятия СТО ТУАД 09-2010 [102], выполненного по заказу ГКУ НСО «Территориальное управление автомобильных дорог». Основные положения работы, а также методика в целом разработаны и внедрены при проектировании и строительстве (ОАО «Новосибирскавтодор» и ООО «Новосибирскагропромдорстрой») участков автомобильных дорог в районах Новосибирской области, испытывающих дефицит в традиционных каменных материалах.

Положения, выносимые на защиту:

1) результаты экспериментальных исследований свойств стабилизированных (добавками «Perma-Zyme», «Underbold», «Nikoflok» и «ANT») глинистых грунтов, преобладающих в пяти дорожных районах (IV.P.l, II.X.l, III.P.4, III.P.1 и II.P.1) Новосибирской области с характерным I-II типом местности по увлажнению;

2) эмпирические зависимости механических с�