автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Совершенствование методики расчета дорожных насыпей из пенополистирола на слабых грунтах

На правах рукописи

Матюсова Евгения Юрьевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ДОРОЖНЫХ НАСЫПЕЙ ИЗ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ

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

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

1г МАП 2014 005549140

Москва - 2014

005549140

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре наземных транспортно-технологических машин.

Научный руководитель: ЕВТЮКОВ Сергей Аркадьевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»

Официальные оппоненты: ЕРМОШИН Николай Алексеевич

доктор военных наук, профессор, ФГКВОУ «Военная академия материально-технического обеспечения им. генерала армии A.B. Хрулева

ПШЕНИЧНИКОВА Елена Сергеевна

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник ОАО «ЦНИИС»

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Петербургский

государственный университет путей сообщения»

Защита диссертации состоится 19 июня 2014 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу: 125319, г. Москва, Ленинградский пр., д.64, ауд. 42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Копию отзыва просим прислать на e-mail: uchsovet@madi.ru

Автореферат разослан «l8» апреля 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Борисюк Н.В.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. В Российской Федерации остро стоит проблема строительства дорог на слабых грунтах, состоящая в необходимости обеспечения устойчивости основания и ограничения его деформации. Одним из эффективных способов, позволяющих решить данную проблему в комплексе, является снижение нагрузки на слабое основание за счет применения в теле насыпи материалов с весом меньшим, чем у грунта. За рубежом с 1960-х годов практикуется строительство насыпей из пенополистирола. Этот материал легок и в то же время способен воспринимать транспортную нагрузку.

В последнее десятилетие в России также ведутся исследования по применению данного материала в теле насыпи при транспортном строительстве. Проработкой этого вопроса занимались сотрудники СПбГАСУ (д.т.н., профессор Карпов Б.Н., д.т.н., профессор Евтюков СЛ.), сотрудники научно-технического отдела ЗАО «Петербург-Дорсервис» под руководством главного инженера Медреса Е.П., д.т.н., профессор Рябинин Г.А.. Результатом стали конструктивные решения насыпи и ее элементов, правила производства работ и требования к блокам из пенополистирола. Однако каждый проект индивидуален (по геологическим условиям, допустимым конструктивным решениям и т.п.), а значит, требуется выполнять расчеты, позволяющие определить возможность и целесообразность применения легкой конструкции в конкретном случае.

Ввиду увеличения объемов использования ЕРБ-блоков в мире, в США с середины 1990-х годов начали разработку официального технического документа по проектированию и расчету облегченных насыпей на слабых грунтах. А в 2009 году в России была выпущена монография, включающая в себя методику расчета. Однако в данных методиках, по нашему мнению, есть ряд недостатков. В частности:

1. Существующие методики исходят из учета в расчете двух предварительно выбранных типов блоков, а условие устойчивости обеспечивается за счет подбора толщин слоев.

2. Расчет сопротивления гидростатическому всплытию подтопляемых насыпей трудоемок для применения, т.к. предусматривает итерационный процесс назначения конструктивных параметров.

3. Расчетные графики не охватывают наиболее применимые в отечественном проектировании геометрические параметры дорожных насыпей.

Целью диссертационной работы является совершенствование методики расчета дорожных насыпей из пенополистирола при проектировании их на слабых грунтах.

Поставленная цель достигается посредством решения следующих задач:

1. Проанализировать существующие отечественные и зарубежные методики расчета и проектирования облегченных дорожных насыпей, сооружаемых на слабых грунтах, и определить основные направления их дальнейшего совершенствования.

2. Обосновать и получить новые решения по расчету и проектированию облегченных дорожных насыпей, учитывающие нормативные транспортные нагрузки, принципы рационального подбора и расположения блоков в зависимости от особенностей напряженно-деформированного состояния рабочего слоя и конструкции насыпи, ее внутренней и общей устойчивости.

3. Разработать алгоритм и программу расчета конструкции насыпи с минимально требуемым запасом прочности.

4. На основе разработанной программы исследовать характер и степень влияния различных факторов (нагрузка, высота насыпи, крутизна откосов и др.) на внутреннюю устойчивость конструкции облегченной насыпи.

Объект исследования. В качестве объекта исследования выбраны существующие методики расчета дорожных насыпей на слабых грунтах.

Предметом исследования является усовершенствованная методика расчета дорожных насыпей из пенополистирола на слабых грунтах.

Научная новизна заключается в следующем:

1. Впервые при подборе ЕРБ-блоков в теле насыпи по ее высоте в соответствии с их прочностью применен метод равномерного поиска, позволяющий учесть большее количество шагов изменения предела их упругости и избежать конструкции с избыточным запасом прочности.

2. Впервые учтено влияние варьирования толщин слоев различных материалов дорожной одежды на требуемую несущую способность блоков.

3. Впервые оценено влияние величины осадки на определение веса дорожной одежды в расчете устойчивости против гидростатического всплытия.

Практическая значимость результатов

1. Разработанная программа позволяет без трудоемких расчетов:

а) получать распределение блоков в теле насыпи, обеспечивающее минимально требуемую прочность;

б) оценить влияние изменения различных параметров системы дорожной одежды на распределение блоков в теле насыпи;

в) оценить влияние изменения геометрических параметров насыпи на распределение блоков в теле насыпи;

2. Расчетные графики, учитывающие геометрические параметры насыпи, позволяют без расчетов назначить конструкцию, устойчивую против гидростатического всплытия.

Результаты диссертационного исследования и инженерные разработки были использованы:

1. при выполнении расчетов по объектам:

«Реконстукция Приморского шоссе на участке от улицы Савушкина до Лахтинского проспекта»; —

«Строительство продолжения Софийской улицы до Московского шоссе»;

«Строительство автомобильной дороги «Западный скоростной диаметр»

2. при разработке курсов лекций для студентов автомобильно-транспортного факультета Санкт-Петербургского архитектурно-строительного университета;

3. при написании стандарта организации ЗАО «Петербург-Дорсервис» СТО 46978248-0001-2013 «Методика расчета насыпей из пенополистирола при дорожном строительстве (для СевероЗападного региона)»

4. при создании программного обеспечения на основе алгоритма подбора блоков оптимальной прочности.

Достоверность результатов исследований и выводов диссертационной работы подтверждаются применением основных положений и моделей механики грунтов, а также внедрением результатов работы при проектировании реальных объектов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Подбор ЕРБ-блоков в теле насыпи по ее высоте в соответствии с их прочностью при помощи метода равномерного поиска, позволяющего учесть большее количество шагов изменения предела их упругости и избежать конструкции с избыточным запасом прочности.

2. Учет влияния варьирования толщин слоев различных материалов дорожной одежды на требуемую несущую способность блоков.

3. Оценка влияния величины осадки на определение веса дорожной одежды в расчете устойчивости против гидростатического всплытия.

Апробация работы. Основные результаты исследований диссертации докладывались и обсуждались на 7-и международных научно-технических конференциях СПбГАСУ и ПГУПС.

Публикации. Основные положения исследования опубликованы в 10 научных работах, в том числе в трех статьях в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 137 страницах, в 15 таблицах, на 49 иллюстрациях, в 2 приложениях. Список литературы содержит 110 наименований.

Содержание работы

Во введении рассмотрены основные положения диссертационной работы, обоснована актуальность рассматриваемой проблемы исследований,

5

сформулирована цель работы и основные задачи исследования, дана краткая аннотация работы.

В первой главе проведен анализ методов строительства на слабых грунтах», определен термин «слабый грунт» и проведен анализ методов строительства на слабых грунтах. На основании данного анализа, а также условий для проектирования, обозначенных как ключевые, выявлены положительные и отрицательные стороны описываемых методов.

Методы строительства классифицированы по следующим направлениям:

• Упрочнение грунта основания;

• Замена проблемных материалов более прочными материалами;

• Передача нагрузки на более прочные слои через системы опор глубокого заложения (например - сваи);

• Снижение нагрузки от насыпи на слабое основание. Рассмотрены наиболее распространенные методы:

• Временная пригрузка;

• Вертикальное дренирование;

• Химическое закрепление;

• Предварительное осушение слабой толщи;

• Предварительная консолидация;

• Частичная или полная выемка и замена слабого грунта;

• Передача нагрузки на более прочные слои грунта при помощи свай;

• Устройство боковых пригрузочных берм;

• Применение в теле насыпи материалов с весом меньшим, чем у грунта.

В качестве предмета исследования выбран развивающийся в России метод - метод снижения нагрузки на основание за счет снижения веса насыпи. На основании в целом положительного опыта США, Норвегии, Японии и т.д. предлагается использовать в теле насыпи блоки из EPS.

В пользу применения пенополистирола говорят следующие факторы:

• Значительное снижение давления на грунт основания за счет малого объемного веса EPS;

• Прогнозируемые свойства материала;

• Возможность осуществлять строительство при любых погодных условиях;

• Ввиду малых величин осадок, снижение эксплуатационной стоимости дороги;

• Благодаря конструктивным особенностям насыпи из EPS (возможность возведения насыпи с вертикальными откосами) можно уменьшить полосу отвода;

• EPS существенно снижает боковые напряжений на мостовые устои;

• Возведение EPS-насыпей без опасения нанести вред существующим инженерным сетям;

• Продолжительный срок службы.

Вторая глава представляет собой обзор мирового опыта применения EPS-блоков в теле насыпи при транспортном строительстве.

Обзор производился по материалам, опубликованным в шведских, норвежских изданиях и изданиях США с учетом отчета о НИР: «Разработка конструктивных решений дорожных конструкций на насыпях, возведенных с применением экструзионного вспененного полистирола». Целью данного обзора было продемонстрировать состоятельность конструктивных решений с применением EPS и долговечность самого материала, т.к. проекты, выполненные еще в 1970х годах, пригодны к эксплуатации по сей день.

Среди проблем, решаемых применением EPS-насыпи вместо традиционной грунтовой, следующие:

- доведение просевшей насыпи, возведенной на слабом грунтовом основании (торф и пластичная наносная глина), до проектной отметки без увеличения нагрузки на слабое основание;

- строительство дороги в оползнеопасном районе;

- непрерывное выполнение работ по строительству насыпи на слабом основании не зависимо от погодных условий;

- защита водопроводной трубы, проходящей под насыпью от чрезмерных осадок насыпи (ввиду низкого веса насыпи);

- исключение негативного динамического воздействия (по сравнению со свайным вариантом) на близлежащие конструкции;

- строительство в стесненных условиях (ширина полосы отвода не достаточна для возведения грунтовой откосной насыпи).

В данной главе приводится также общие положения методики расчета, разработанные в США.

Согласно данной методике, расчет, позволяющий предотвратить разрушение насыпи, включает три этапа:

• Расчет внешней (общей) устойчивости всей насыпи. В этом расчете рассматривается взаимодействие комбинированного массива насыпи и вышележащей дорожной одежды с существующим грунтом основания. В расчете учитываются факторы, влияющие на пригодность к эксплуатации, такие как полная и неравномерная осадка, и факторы, влияющие на потерю прочности / устойчивости, такие как несущая способность, устойчивость откосов при различных сочетаниях нагрузок (гравитационных, сейсмических, ветровых и гидростатических). Геометрия поперечного сечения насыпи обычно определяется из совместного рассмотрения вышеприведенных факторов и исходных данных проектирования таких, как ограничения по ширине полосы отвода, ограничение допустимого давления на нижележащие или примыкающие конструкции и коммуникации, а также продолжительность строительства. Так как стоимость 1м3 EPS существенно превышает стоимость 1м3 обычного грунта, предпочтительно оптимизировать расчет, чтобы уменьшить объем

7

укладываемых EPS-блоков. При этом важно соблюсти расчётные критерии осадки и устойчивости.

• Расчет внутренней устойчивости массива насыпи. В первую очередь внимание уделяется правильному выбору и назначению характеристик EPS-блоков. Необходимо, чтобы EPS массив мог нести нагрузку от дорожной одежды без возникновения слишком больших немедленных и долговременных (с учетом ползучести) деформаций сжатия, которые могут вызвать слишком большие просадки поверхности дорожной одежды).

• Расчет дорожной одежды, уложенной на основание из EPS-блоков. Критериями расчета являются предотвращение преждевременных разрушений дорожной одежды, таких как колея, трещины, либо образование прочих дефектов, характеризующих недостаточную эксплуатационную пригодность дороги. При проектировании поперечного сечения дорожной одежды, следует обратить внимание на надежность закрепления элементов обустройства дороги, таких как защитные ограждения, барьеры, ограждения в разделительной полосе, опоры наружного освещения, опоры дорожных знаков и инженерные сети.

Методики расчета трапецеидальной и вертикальной насыпей сходны, за исключением того, что в расчете сейсмической устойчивости вертикальной насыпи должна учитываться возможность опрокидывания всей насыпи относительно поверхности контакта EPS-блоков с грунтом основания под действием горизонтальных сил. Кроме того, в расчетах внешней устойчивости должна учитываться возможность смещения насыпи под действием гидростатических и ветровых нагрузок.

В третьей главе обозначены основные критерии, требующие проверки расчетом:

• соответствие величины осадки насыпи допустимым значениям (по условиям строительства);

• устойчивость откосов;

• несущая способность основания;

• сопротивление насыпи гидростатическому всплытию с подбором необходимого пригруза;

• несущая способность самих EPS-блоков.

Также в данной главе представлен алгоритм расчета насыпи из пенополистирола, адаптированного к нормативным документам и условиям Российской Федерации.

Согласно алгоритму производятся:

• проверка соответствия величины осадки насыпи допустимым значениям;

• оценка развития осадки во времени;

• проверка устойчивости откосов;

• проверка несущей способности грунтового основания;

• проверка сопротивления насыпи гидростатическому всплытию и гидростатическому сдвигу;

• расчет несущей способности самих ЕРБ-блоков с подбором типов блоков из пенополистирола и спецификации их для различных частей насыпи.

Блок-схема алгоритма представлена на рис. 1.

Рис. 1 Блок-схема алгоритма расчета насыпи из пенополистирола.

В третьей главе обозначен один из наиболее сложных, на наш взгляд, вопросов в области проектирования конструкций дорожных насыпей из пенополистирола - проблема распределения блоков в теле насыпи по ее высоте в соответствии с их прочностью, и предложено решение этой проблемы.

В существующих методиках для спецификации блоков в теле насыпи по высоте предлагается следующий алгоритм расчета:

Во-первых, определяют требуемый предел упругости блоков для слоя, расположенного непосредственно под дорожной одеждой, как для самого критического. Для этого вычисляется общее вертикальное напряжение от транспортных и гравитационных нагрузок на верхней поверхности ЕР8-блоков.

Далее в соответствии с таблицей минимально допустимых значений предела упругости, предложенных ААБНТО для обозначения ЕРБ-материалов, выбирают тип блоков с пределом упругости больше полученного общего вертикального напряжения, умноженного на коэффициент запаса 1,1.

Затем вычисляют предел упругости блоков для слоя, расположенного на уровень ниже и так же в соответствии с вышеупомянутой таблицей выбирают тип блоков. Такой расчет продолжается до тех пор, пока не будет определена граница перехода на тип блоков с меньшим, чем в верхнем слое, пределом упругости.

Таким образом, в расчете фигурируют, как правило, два типа блоков: с пределом упругости 70 кПа под дорожной одеждой до глубины в 1-3 слоя блоков и с пределом упругости 40-50 кПа для нижележащих блоков. Получаемые конструкции отличаются только мощностью слоя блоков с пределом упругости 70 кПа.

Данный подход хорош своей простотой и универсальностью, но результат при этом отличается избыточным запасом по прочности.

Поскольку в России стоимость пенополистирола относительно традиционных дорожно-строительных материалов выше, чем за рубежом, в данном диссертационном исследовании предлагается вышеупомянутый подход усовершенствовать. И для получения сопоставимой по стоимости конструкции насыпи учесть в расчете большее количество шагов изменения предела упругости блоков. Шаг изменения предела упругости определяется изготовителями блоков, на данный момент производство позволяет выпускать блоки с любым пределом упругости, поэтому мы рассматриваем шаг в 1 кН/м2. Данное решение привело нас к использованию метода равномерного поиска, который заключается в следующем:

1. Формируем начальную конфигурацию насыпи из слоев блоков с максимальным пределом упругости, которые может предоставить производитель.

2. Выполняем проверочный расчет несущей способности блоков в каждом слое. Для этого, как и в описанной выше методике, вычисляем общее вертикальное напряжение от транспортных и

ю

гравитационных нагрузок на верхней поверхности каждого слоя ЕР8-блоков.

3. Производим замену нижнего слоя с максимальным пределом упругости ш на слой с пределом упругости на единицу меньше (ш-1)

4. Выполняем проверочный расчет несущей способности блоков в этом слое.

5. Если внутренняя устойчивость насыпи не нарушена, т.е. выполняется условие: отношение предела упругости блока к общему вертикальному напряжению больше установленного коэффициента запаса, заменяем следующий слой с максимальным пределом упругости ш на слой с пределом упругости (т-1) и снова проверяем несущую способность блоков в замененных слоях.

Замену рекомендуется проводить до нарушения внутренней устойчивости. Если при подходе замены к верхнему слою насыпи с максимальным пределом упругости, устойчивость нарушена не будет, для шага 1 принимаем конфигурацию из слоев с пределом упругости (т-1) и повторяем действия по циклу. Завершением алгоритма будет считаться получение насыпи из блоков с минимально требуемыми пределами упругости.

Выполнение этого алгоритма вручную представляет собой весьма трудоемкий процесс, поэтому для упрощения и ускорения расчетов нами разработана программа Сео\УР, на которую в сентябре 2013 года получено свидетельство о государственной регистрации № 2013618423.

При помощи данной программы выполнен ряд исследований, которые позволили оценить характер и степень влияния различных факторов (нагрузка, высота насыпи, крутизна откосов и др.) на внутреннюю устойчивость конструкции облегченной насыпи.

Кроме того была выполнена проверка того, как изменение толщины дорожной одежды за счет различных материалов влияет на несущую способность блоков.

Рассмотренные в данной главе примеры показали, что использование предложенной в диссертационной работе методики, в отличие от существующей, позволяет подобрать экономически выгодную конструкцию насыпи.

Кроме того в третьей главе рассмотрен вопрос влияния на выбор дорожной одежды необходимости обеспечить общую устойчивость насыпи. При этом следует учесть как величину допустимой осадки, так и устойчивость полученной конструкции дорожной насыпи против гидростатического всплытия в случае ее подтопления паводковыми водами.

Расчет по подбору веса пригруза, необходимого для обеспечения сопротивления гидростатическому всплытию, применяемый в зарубежной методике, учитывает величину осадки, что приводит к запуску итерационного процесса, т.к. осадка и вес дорожной одежды совместно

уточняются. Однако наша практика показала, что в некоторых случаях

и

необходимо определить целесообразность возведения легкой насыпи на подтопляемой территории, без наличия точных сведений о геологическом строении основания. Вследствие этого возникла необходимость оценить влияние величины осадки насыпи на требуемый вес пригруза, который в дальнейшем учитывается при определении конструкции дорожной одежды. В процессе работы над диссертацией нами был выполнен ряд расчетов осадки насыпей на различных основаниях. В качестве предмета исследования были рассмотрены поперечные профили дорог, проектируемых ЗАО «Петербург-Дорсервис». Результаты расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты расчетов осадки насыпей на различных основаниях.

Чем сложено основание Тип поперечного профиля насыпи Высота насыпи, м Ширина насыпи по верху, м Осадка, см

4,0 метра - суглинки мягкопластичные с Едеф = 8,50 МПа 4,0 метра - суглинки текучие с Едеф = 5,50 МПа трапеция 4 28,7 2,9

2,0 метра - суглинки мягкопластичные с Едеф = 8,50 МПа 4,0 метра - суглинки текучие с Еддф = 5,50 МПа 3,0 метра - супеси текучие с Едеф = 6,00 МПа трапеция 10 28,7 2,6

1,4 метра-пески с Едеф = 24,00 МПа 5,0 метров - торфы с Едеф = 0,75 МПа трапеция 5 27,9 16,2

3,0 метра - насыпной грунт с Едсф = 7,00 МПа 2,5 метра -слабозаторфованные грунты с ЕДСф = 1,50 МПа 1,0 метр - суглинки текучие с Едсф = 3,00 МПа 5,0 метров - суглинки текучие с Едсф = 5,00 МПа с вертикальным и откосами 5 14,6 6,4

1,2 метра - торфы слаборазложившийся с ЕдСф = 0,75 МПа 0,7 метра - пески с ЕДсф = 17,00 МПа 10 метров - суглинки текучие с Едсф = 7,00 МПа трапеция 13,8 27,5 10,5

Как видно из представленной таблицы, величина осадки не превышает 15-20 сантиметров. На основании полученных величин осадки нами были проведены исследования по изучению влияния веса пригруза на устойчивость насыпи при различных вариантах ее подтопления как с учетом в расчете величины осадки, так и без ее учета по откорректированной формуле (1).

2.ГЕР5+Гводь, МЛ

tgH воды н ^hJ EPS н w

Результаты показали, что данный параметр в малой степени влияет на определение веса дорожной одежды, и для предварительной оценки им можно пренебречь. Кроме того для наиболее часто используемых профилей (трапецеидальный и с вертикальными откосами) нами были получены расчетные графики, учитывающие геометрические параметры насыпи, применяемые в отечественном дорожном строительстве и позволяющие назначить конструкцию насыпи, устойчивую против гидростатического всплытия.

5000.00 I 8 | 4500,00 1 2 | 4000.00 Iя. 3500.00 1 | £ 3000.00 • I f I ]§ 2500.00 |!|з200000 О. ; к 1500.00 1 1 2 1000,00 t с J 500,00 II | 0,00 Ü -500,00 о Ширина автодороги 15 м ^^———— sooo.oo i 8 | 4500.00 '5 jj j 4000.00 1 jj 3500.00 £ | 1 3000.00 • * I 5 ^ 2500,00 1 f I 3 1 I 1 1000,00 J. S | 500,00 1 0,00 -500.00 0, Ширина автодороги 28 м

0.1 0.2 0.3 0.4 0.S h/H 0 0,1 0.2 0.3 0.4 0.S h/H

5000.00 Üi — Щ = I I | 3000,00 i I jj ^ 2500,00 Ith а ; J 1S00.00 III ЮОО.ОО 1 g I 500,00 t|f 0.00 -soo.ooo Ширина автодороги 36 м 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.S h/H

Рис. 2. Зависимость требуемого пригруза от отношения уровня воды к высоте насыпи h/H

!? Ii 5000.00 4500,00 4000,00 3500,00 Ширина автодороги 36 м ■Л.

и и 1 Т. р f" 2500,00 ' J 2000,00 1500,00 1000,00

II 0.00 ; -500,00 0, - «--—*

0 0,1 ,2 0,3 0,4 0,5

h/H

Рис. 3. Зависимость требуемого пригруза от отношения уровня воды к высоте насыпи h/H.

Для трапецеидальной насыпи с откосами 1:2:

и z: | * < 3500.00 i 1 3000,00 I 5 ? I J 3000,00 £ § " 1500.00 ' 1 | 1000.00 . | 500.00 Ширина автодороги 36 м

500 до о;о од о.г о.) о,« o.s h/H

Рис. 4. Зависимость требуемого пригруза от отношения уровня воды к высоте насыпи h/H.

В четвертой главе диссертации приведены результаты оценочных расчетов варианта на свайном ростверке, предлагаемом на стадии проектной документации, и варианта насыпи из EPS.

На основании данных результатов предлагаются рекомендации по расчету насыпи из EPS:

1. Требуемый запас устойчивости насыпи против глубокого сдвига в пределах всего участка обеспечен.

2. Диапазон величины конечной осадки на участке оценивается величинами 4,1 - 10,6 см.

3. Продолжительность периода, в течение которого реализуется 90% суммарной осадки составляет 33 - 95лет.

4. Продолжительность периода, в течение которого скорость развития осадки снижается до допустимой величины 2см/год, составляет 1 - 3 месяца.

При назначении конструктивных решений земляного полотна на рассматриваемом участке следует учитывать:

• необходимость сопряжения насыпи с безосадочными конструкциями искусственных сооружений;

• значительные прогнозируемые величины конечных осадок насыпи на подходах к этим сооружениям;

• возможные отклонения инженерно-геологических условий от приведенных в материалах инженерно-геологических изысканий.

Таким образом, выявлено, что технология с применением EPS менее трудозатратна, и является экономически целесообразной, по сравнению с примененной на стадии Проект.

Все вышеперечисленные изменения в технических решениях проекта приводят к получению дополнительной экономии средств городского бюджета, улучшению показателей надежности, долговечности и не ухудшают архитектурного облика элементов объекта.

При сопоставлении стоимостных показателей отпавших строительно-монтажных работ и работ, предусматривающих применение EPS-блоков в теле насыпи, выявлено, что вышеуказанные объемы работ по строительству облегченной насыпи могут быть выполнены без превышения стоимости государственного контракта. А применение блоков различной плотности приведет к существенной экономии.

Основные выводы

1. При подборе EPS-блоков в теле насыпи по ее высоте в соответствии с их прочностью рекомендуется применять метод равномерного поиска, позволяющий учесть большее количество шагов изменения предела их упругости и избежать конструкции с избыточным запасом прочности.

2. Варьирование толщинами слоев различных материалов дорожной одежды позволяет подобрать наиболее подходящую, по усмотрению инженера-проектировщика, конструкцию дорожной одежды.

3. Влияние величины осадки на определение веса дорожной одежды в расчете устойчивости против гидростатического всплытия в малой степени влияет на определение веса дорожной одежды, и для предварительной оценки им можно пренебречь.

4. Разработанная программа позволяет без трудоемких расчетов:

а) получать распределение блоков в теле насыпи, обеспечивающее минимально требуемую прочность;

б) оценить влияние изменения различных параметров системы дорожной одежды на распределение блоков в теле насыпи;

в) оценить влияние изменения геометрических параметров насыпи на распределение блоков в теле насыпи;

5. Расчетные графики, учитывающие геометрические параметры насыпи, позволяют без расчетов назначить конструкцию, устойчивую против гидростатического всплытия.

6. Предлагаемые рекомендации по расчету насыпи из EPS - блоков на слабых грунтах, позволяют быстро выполнить оценку целесообразности применения EPS-насыпи в заданных условиях строительства, после чего, при необходимости, выполнить детальный расчет.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Матюсова Е. Ю. Гидростатическое всплытие трапецеидальной насыпи из пенополистирола. Подбор пригруза / Е. Ю. Матюсова [Электронный ресурс] // Электронный журнал «Современные проблемы науки и образования». 2012. - №4. Режим доступа: http://www.science-education.ru/104-6820

2. Матюсова Е. Ю., Евтюков С. А. Альтернатива традиционной насыпи при строительстве дорог на слабых грунтах. Сравнение вариантов / Е. Ю. Матюсова, С. А. Евтюков [Текст] // Вестник гражданских инженеров. -2012. - № 5. - С. 190-194. - 0,4 п.л. / 0,3 п.л. - автор, участ.

3. Матюсова Е. Ю., Евтюков С. А. Несущая способность насыпи из EPS-блоков. Алгоритм подбора блоков с оптимальной плотностью / Е. Ю. Матюсова, С. А. Евтюков [Текст] // Вестник гражданских инженеров. -2012. - № 1.-С. 127-130,-0,45 п.л./0,4 п.л. - автор, участ.

Статьи в других изданиях

4. Евтюков С.А., Матюсова Е.Ю. Подбор EPS-блоков оптимальной

16

плотности для строительства облегченных насыпей / С. А. Евтюков, Е. Ю. Матюсова [Текст] // Докл. 64-й международ. НТК молодых ученых. Актуальные проблемы строительства 4.1/ СПбГАСУ. СПб.: 2011. - С. 165167. - 0,2 п.л. / 0,15 п.л. - автор, участ.

5. Матюсова Е. Ю. Применение блоков из пенополистирола при строительстве автомобильных дорог / Е. Ю. Матюсова [Текст] //Докл. III международ. НТК Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов/ПГУПС. СПб.: 2013. - С. 50-53.

6. Матюсова Е. Ю., Евтюков С. А. Варианты конструктивного подхода к путепроводу через железную дорогу на станцию Мга (КАД, Лот 4) / Е. Ю. Матюсова, С. А. Евтюков [Текст] // Докл. 62-й международ. НТК молодых ученых Ч.Ш/СПбГАСУ. СПб.: 2009. - С. 224-227. - 0,2 п.л. / 0,15 п.л. - автор, участ.

7. Матюсова Е. Ю., Евтюков С. А. Методика расчета несущей способности EPS-блоков при строительстве легких насыпей / Е. Ю. Матюсова, С. А. Евтюков [Текст] // Докл. 1-го международ. Конгресса молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов, посвященный 180-летию СПбГАСУ /СПбГАСУ. СПб.: 2012.

8. Матюсова Е.Ю., Евтюков С.А. Обеспечение прочности на сдвиг между EPS-блоками при возведении дорожной насыпи / Е. Ю. Матюсова, С. А. Евтюков [Текст] // Докл. 63-й международ. НТК молодых ученых. Актуальные проблемы строительства 4.1/ СПбГАСУ. СПб.: 2010. - С. 108110. - 0,4 п.л. / 0,35 п.л. - автор, участ.

9. Матюсова Е.Ю., Евтюков С.С. Алгоритм подбора EPS-блоков оптимальной плотности для строительства облегченных насыпей / Е. Ю. Матюсова, С. С. Евтюков [Текст] // Докл. 68-й научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета 4.IV / СПбГАСУ. СПб.: 2011. - С. 195-196. - 0,3 п.л. / 0,25 п.л. - автор, участ.

10. Медрес Е.П., Матюсова Е.Ю. Экспандированный пенополистирол (EPS) как легкий заполнитель для насыпи. Несущая способность. Алгоритм подбора EPS - блоков с оптимальной плотностью. / Е. П. Медрес, Е. Ю. Матюсова [Текст] // Zwiijkszeniccfekt ywnosciprocesow Budowlanych i przemyslowych, Cz^stochowa: 2012, C.129-133. - 0,3 п.л. / 0,2 п.л. - автор, участ.

Свидетельства на авторские права и изобретения

11. Свидетельство № 2013618423 о государственной регистрации программы для ЭВМ «Программа для подбора оптимального набора блоков в EPS-насыпях «GeoWF 1.0.0.0» / Е.Ю. Матюсова - М.: Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - 2013. - 1 с.

Формат 60x84 1/16. Бум.офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 48.

Отпечатано в ООО ИД «Петрополис» 197101 Санкт-Петербург ул. Б.Монетная, д. 16, офис 22

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201458138 УДК 625: 624.136.5: 624.138

МАТЮСОВА Евгения Юрьевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ДОРОЖНЫХ НАСЫПЕЙ ИЗ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ

05.23.11 Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор С. А. ЕВТЮКОВ

Санкт-Петербург - 2014

Оглавление

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

1.1. ПОНЯТИЕ «СЛАБЫЙ ГРУНТ». ТРЕБОВАНИЯ К СЛАБЫМ ГРУНТАМ................................................................................................................9

1.2. УСЛОВИЯ, УЧИТЫВАЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ.............................................................................................10

1.3. ОБЗОР МЕТОДОВ СТРОИТЕЛЬСТВА НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ 11

1.4. ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ EPS-БЛОКОВ ПРИ ТРАНСПОРТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ НА СЛАБОМ ОСНОВАНИИ..........26

ГЛАВА 2. ОБЗОР МИРОВОГО ПРИМЕНЕНИЯ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В ТЕЛЕ НАСЫПИ ПРИ ТРАНСПОРТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ. ОБЩАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА............................................................................................29

2.1. ОСНОВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ EPS-БЛОКОВ ПРИ ТРАНСПОРТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ..............................................................29

2.2. ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА EPS-НАСЫПИ...............................31

2.3. ТИПОВЫЕ СХЕМЫ НАСЫПЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ EPS-БЛОКОВ.................................................................................................................31

2.4. ОБЗОР ЗАРУБЕЖНОГО ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ EPS ПРИ ТРАНСПОРТНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ..............................................................32

2.5. ОБЩАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА НАСЫПЕЙ ИЗ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА........................................................................................50

2.5.1. Ключевые моменты расчета.........................................................50

2.5.2. Методика расчета..........................................................................52

2.6. ПРОБЛЕМЫ ОБЛЕДЕНЕНИЯ ДОРОГИ..........................................58

2.7. ГЛАВНЫЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОНТРОЛЮ КАЧЕСТВА EPS-БЛОКОВ.................................................................................................................58

2.8. ПРОЕКТНЫЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ПЕНОПОЛИСТИРОЛУ ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ И РЕКОНСТРУКЦИИ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ...........................................59

2.8.1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ МАТЕРИАЛА (EPS) И ПРОЕКТНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НЕМУ (ОБЗОР)...59

2.8.2. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ РАБОТА ПО КОНТРОЛЮ КАЧЕСТВА .............................................................................................................................62

2.8.2.1. Плотность....................................................................................62

2.8.2.2. Горючесть....................................................................................62

2.8.2.3. Влагопоглощение.......................................................................62

2.9. ПЕРСПЕКТИВЫ ИЗМЕНЕНИЯ ТРЕБОВАНИЙ К МАТЕРИАЛАМ .................................................................................................................................65

2.10. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ..............................66

ГЛАВА 3. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА НАСЫПИ

ИЗ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА......................................................................................68

3.1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ.......................................................................68

3.2. УСОВЕРШЕНСТВОВАННАЯ МЕТОДИКА РАСЧЕТА................69

3.2.1. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА НАСЫПИ ИЗ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА .............................................................................................................................69

3.2.2. АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ.............................................71

3.2.3. ОЦЕНКА УСЛОВИЙ СТРОИТЕЛЬСТВА.................................73

3.2.4. РАСЧЕТ ОСНОВАНИЯ ПО НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ....74

3.2.5. РАСЧЕТ КОНЕЧНОЙ ВЕЛИЧИНЫ ОСАДКИ.........................75

3.2.6. РАСЧЕТ УСТОЙЧИВОСТИ ОТКОСОВ....................................76

3.2.7. ОЦЕНКА РАЗВИТИЯ ОСАДКИ ВО ВРЕМЕНИ......................76

3.2.8. РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ НАСЫПИ ГИДРОСТАТИЧЕСКОМУ ВСПЛЫТИЮ......................................................77

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ ГИДРОСТАТИЧЕСКОМУ ВСПЛЫТИЮ НАСЫПИ С

ВЕРТИКАЛЬНЫМИ ОТКОСАМИ. ПОДБОР ПРИТРУ ЗА..........................79

УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ РАСЧЕТ СОПРОТИВЛЕНИЯ ГИДРОСТАТИЧЕСКОМУ ВСПЛЫТИЮ ТРАПЕЦЕИДАЛЬНОЙ НАСЫПИ............................................................................................................82

3.2.9. ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЕРБ-БЛОКОВ..........88

3.2.10. РАСЧЕТ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ НАСЫПИ ИЗ ЕР8-БЛОКОВ, УТОЧНЕННЫЙ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ........................................................................90

3.2.11. АЛГОРИТМ ПОДБОРА БЛОКОВ ОПТИМАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ.....................................................................................................98

3.3. ЗАВИСИМОСТЬ ОСАДКИ ОБЛЕГЧЕННОЙ НАСЫПИ ОТ ЕЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ И ФОРМЫ ПОПЕРЕЧНОГО ПРОФИЛЯ............................................................................................................103

3.4. ОГРАНИЧЕНИЯ ПРЕДЛОЖЕННОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА... 106 ГЛАВА 4. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОТ ВНЕДРЕНИЯ

РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ......................................................................................108

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ................................................................................117

ПРИЛОЖЕНИЕ 1..........................................................................................124

ПРИЛОЖЕНИЕ 2..........................................................................................136

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В Российской Федерации остро стоит проблема строительства дорог на слабых грунтах, состоящая в необходимости обеспечения устойчивости основания и ограничения его деформации. Одним из эффективных способов, позволяющих решить данную проблему в комплексе, является снижение нагрузки на слабое основание за счет применения в теле насыпи материалов с весом меньшим, чем у грунта. За рубежом с 1960-х годов практикуется строительство насыпей из пенополистирола. Этот материал легок и в то же время способен воспринимать транспортную нагрузку.

В последнее десятилетие в России также ведутся исследования по применению данного материала в теле насыпи при транспортном строительстве. Проработкой этого вопроса занимались сотрудники СПбГАСУ (д.т.н., профессор Карпов Б.Н., д.т.н., профессор Евтюков С.А.), сотрудники научно-технического отдела ЗАО «Петербург-Дорсервис» под руководством главного инженера Медреса Е.П., д.т.н., профессор Рябинин Г.А.. Результатом стали конструктивные решения насыпи и ее элементов, правила производства работ и требования к блокам из пенополистирола. Однако каждый проект индивидуален (по геологическим условиям, допустимым конструктивным решениям и т.п.), а значит, требуется выполнять расчеты, позволяющие определить возможность и целесообразность применения легкой конструкции в конкретном случае.

Ввиду увеличения объемов использования ЕРБ-блоков в мире, в США с середины 1990-х годов начали разработку официального технического документа по проектированию и расчету облегченных насыпей на слабых грунтах. А в 2009 году в России была выпущена монография, включающая в себя методику расчета. Однако в данных методиках, по нашему мнению, есть ряд недостатков. В частности:

1. Существующие методики исходят из учета в расчете двух предварительно выбранных типов блоков, а условие устойчивости обеспечивается за счет подбора толщин слоев.

2. Расчет сопротивления гидростатическому всплытию подтопляемых насыпей трудоемок для применения, т.к. предусматривает итерационный процесс назначения конструктивных параметров.

3. Расчетные графики не охватывают наиболее применимые в отечественном проектировании геометрические параметры дорожных насыпей.

Целью диссертационной работы является совершенствование методики расчета дорожных насыпей из пенополистирола при проектировании их на слабых грунтах.

Задачи диссертационной работы:

1. Проанализировать существующие отечественные и зарубежные методики расчета и проектирования облегченных дорожных насыпей, сооружаемых на слабых грунтах, и определить основные направления их дальнейшего совершенствования.

2. Обосновать и получить новые решения по расчету и проектированию облегченных дорожных насыпей, учитывающие нормативные транспортные нагрузки, принципы рационального подбора и расположения блоков в зависимости от особенностей напряженно-деформированного состояния рабочего слоя и конструкции насыпи, ее внутренней и общей устойчивости.

3. Разработать алгоритм и программу расчета конструкции насыпи с минимально требуемым запасом прочности.

4. На основе разработанной программы исследовать характер и степень влияния различных факторов (нагрузка, высота насыпи, крутизна откосов и др.) на внутреннюю устойчивость конструкции облегченной насыпи.

Объект и методы исследования. Объектом исследования являются существующие методики расчета дорожных насыпей из пенополистирола на слабых грунтах.

Используемые методы:

1. анализ литературных источников по устройству насыпей из пенополистирола и методике их расчета;

2. оценка влияния параметров насыпи на осадку слабого основания с применением численных методов;

3. численное моделирование насыпи на слабом основании (на примере реального объекта строительства в г. Санкт-Петербург).

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1. Впервые при подборе ЕР8-блоков в теле насыпи по ее высоте в соответствии с их прочностью применен метод равномерного поиска, позволяющий учесть большее количество шагов изменения предела их упругости и избежать конструкции с избыточным запасом прочности.

2. Впервые учтено влияние варьирования толщин слоев различных материалов дорожной одежды на требуемую несущую способность блоков.

3. Впервые оценено влияние величины осадки на определение веса дорожной одежды в расчете устойчивости против гидростатического всплытия.

Практическая значимость диссертации заключается в следующем:

1. Разработанная программа позволяет без трудоемких расчетов:

а) получать распределение блоков в теле насыпи, обеспечивающее минимально требуемую прочность;

б) оценить влияние изменения различных параметров системы дорожной одежды на распределение блоков в теле насыпи;

в) оценить влияние изменения геометрических параметров насыпи на распределение блоков в теле насыпи;

2. Расчетные графики, учитывающие геометрические параметры насыпи, позволяют без расчетов назначить конструкцию, устойчивую против гидростатического всплытия.

Результаты диссертационного исследования и инженерные разработки были использованы:

1. при выполнении расчетов по объектам:

«Реконструкция Приморского шоссе на участке от улицы Савушкина до Лахтинского проспекта»;

«Строительство продолжения Софийской улицы до Московского шоссе»;

«Строительство автомобильной дороги «Западный скоростной диаметр»

2. при разработке курсов лекций для студентов автомобильно-транспортного факультета Санкт-Петербургского архитектурно-строительного университета;

3. при написании стандарта организации ЗАО «Петербург-Дорсервис» СТО 46978248-0001-2013 «Методика расчета насыпей из пенополистирола при дорожном строительстве (для Северо-Западного региона)»

4. при создании программного обеспечения на основе алгоритма подбора блоков оптимальной прочности.

На защиту выносится:

1. Подбор ЕР8-блоков в теле насыпи по ее высоте в соответствии с их прочностью при помощи метода равномерного поиска, позволяющего учесть большее количество шагов изменения предела их упругости и избежать конструкции с избыточным запасом прочности.

2. Учет влияния варьирования толщин слоев различных материалов дорожной одежды на требуемую несущую способность блоков.

3. Оценка влияния величины осадки на определение веса дорожной одежды в расчете устойчивости против гидростатического всплытия.

ГЛАВА 1. ПОНЯТИЕ «СЛАБЫЙ ГРУНТ». АНАЛИЗ МЕТОДОВ СТРОИТЕЛЬСТВА НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ

1.1. ПОНЯТИЕ «СЛАБЫЙ ГРУНТ». ТРЕБОВАНИЯ К СЛАБЫМ ГРУНТАМ

К слабым грунтам следует относить связные грунты, имеющие прочность на сдвиг в условиях природного залегания менее 0,075 МПа или модуль осадки более 50 мм/м при нагрузке 0,25 МПа (модуль деформации ниже 5,0 МПа). При отсутствии данных испытаний к слабым грунтам следует относить: торф и заторфованные грунты, илы, сапропели, глинистые грунты с коэффициентом консистенции свыше 0,5, иольдиевые глины, грунты мокрых солончаков. [24]

Критерием слабого основания является наличие слоев слабых грунтов мощностью минимум 0,5 м, расположенных в пределах активной зоны. Глубина активной зоны варьируется в зависимости от геометрических параметров насыпи, ориентировочно ее принимают равной половине ширины насыпи по низу [24].

В особых случаях, когда глубина залегания слабых грунтов больше ширины насыпи понизу, или, когда высота насыпи превышает 12 м, глубина активной зоны устанавливается расчетом. [24].

Также расчетом необходимо проверить возможность применения на данном слабом основании типового поперечного профиля, и в случае невыполнения условия устойчивости, подобрать необходимый угол заложения откосов. Кроме того при устройстве откосов насыпи из глинистых грунтов или в условиях подтопления необходимо проверить и исключить возможность сползания грунта с откосов [24].

Ввиду особой специфики строительства, к насыпям, возводимым на слабых основаниях, предъявляются дополнительные требования:

1. боковой выпор слабого грунта у подошвы насыпи в эксплуатационный период должен быть исключен;

2. основная часть консолидационных процессов в основании должна завершиться до устройства дорожной одежды (исключение допускается при применении сборных покрытий в условиях двухстадийного строительства), т.е.:

• при дорожных одеждах капитального типа величина осадки должна достигнуть 90% от расчетного стабилизированного значения (или скорость осадки должна достигнуть величины не более 2,0 см/год) [24];

• при дорожных одеждах облегченного типа величина осадки должна достигнуть 80% от расчетного стабилизированного значения (или скорость осадки должна достигнуть величины не более 5,0 см/год) [24];

3. упругие колебания насыпей на торфяных основаниях от динамического воздействия, возникающего при движении транспортных средств, не должны превышать величины, допустимой для данного типа дорожной одежды. [24].

Прогноз устойчивости и осадки основания насыпи, а также ее упругих колебаний осуществляется также на основании расчетов. [24].

Допустимую интенсивность осадки разрешается уточнять на основе опыта эксплуатации дорог в тех или иных природных условиях. [24]

При проектировании насыпей на слабом основании необходимо предусмотреть варианты мероприятий, нацеленных на обеспечение возможности использования слабых грунтов в качестве основания. Назначаемые мероприятия необходимо обосновать специализированными расчетами.

1.2. УСЛОВИЯ, УЧИТЫВАЕМЫЕ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ

При проектировании насыпи необходимо обеспечить выполнение двух основных условий:

• Должна быть обеспечена несущая способность по грунтовому основанию для адекватного восприятия нагрузок, приложенных к верху насыпи, а так же нагрузки от веса самой насыпи

• Значения величины осадки не должны отрицательно влиять на работу дороги. Слишком большие осадки могут снизить ездовые качества дороги (привести к образованию трещин и деформаций в дорожном покрытии) и привести к проблемам с дорожным движением.

Зачастую снизить величину осадки за приемлемую цену представляется невозможным. Но нужно учитывать влияние больших осадок на эксплуатационные затраты, которые возникнут в дальнейшем при содержании дороги.

Также при определении осадок необходимо уточнять и учитывать данные о содержании органических веществ в несвязных грунтах. При большом содержании органических веществ несущая способность значительно снижается, значения же осадки возрастают.

1.3. ОБЗОР МЕТОДОВ СТРОИТЕЛЬСТВА НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ

Если допускаемая несущая способность слабого грунта, лежащего в основании, слишком мала, и (или) прогнозируемая осадка проектируемой насыпи слишком велика, а трассу дороги изменить невозможно, в таких случаях, как правило, необходимо осуществить выбор или подходящего метода укрепления грунта или рекомендовать устройство эстакады на опорах глубокого заложения.

Методы строительства могут быть классифицированы по следующим направлениям:

• Снижение веса приложенной нагрузки;

• Замена материалов с низкими прочностными характеристиками на более прочные материалы;

• Увеличение прочности на сдвиг и снижение сжимаемости слабого

грунта;

• Передача нагрузки на более прочные слои через системы опор глубокого заложения (например - сваи);

• Армирование слабого грунта основания и (или) насыпи;

• Обеспечение поперечной устойчивости.

Таким образом, когда в дорожном строительстве возникают проблемы, связанные со слабым грунтом, могут использоваться следующие решения:

1. Временный пригруз.

Одним из самых простых и эффективных методов ускорения осадки насыпей на основании 1-го типа, где возможна осадка от внешней нагрузки, а осадка от собственного веса не превышает 5 см [23], является метод уплотнения слабого грунта с применением временного пригруза. При увеличении давления на основание (нагрузки от временного пригруза), его конечная осадка может быть достигнута за более короткий срок (расчётный, требуемый срок консолидации). [24]

Рис. 1.3.1. Варианты временной пригрузки: а - удаляемый пригрузочны