автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Стабилизация грунтовых насыпей, возводимых в зимний период в условиях Западной Сибири

ФГБОУ ВПО

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

005004704

Замятин Алексей Валерьевич

СТАБИЛИЗАЦИЯ ГРУНТОВЫХ НАСЫПЕЙ, ВОЗВОДИМЫХ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД В УСЛОВИЯХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 1 ДЕК 2011

Тюмень -2011

005004704

Диссертационная работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тюменский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Шуваев Анатолий Николаевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Ефименко Владимир Николаевич

кандидат технических наук, доцент Набоков Александр Валерьевич

Ведущая организация:

ОАО «Гипротюменнефтегаз»

Защита диссертации состоится «20» декабря 2011. В 12-00 час. н заседании диссертационного совета Д 212.272.01 при Тюменско государственном архитектурно-строительном университете по адрес; 625001, г.Тюмень, ул.Луначарского, 2. тел./факс (3452) 46-15-69

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационно центре Тюменского государственного архитектурно-строительног университета по адресу: 625001, г.Тюмень, ул.Луначарского, 2.

Автореферат разослан «ноября 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Пронозин Яков Александров«

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

До 30-х годов истекшего столетия грунтовые насыпи строительных площадок, земляное полотно автомобильных и железных дорог, гидротехнических сооружений возводили только в теплое время года стадийным способом, предусматривающим значительный разрыв во времени между устройством самой насыпи и располагающихся на ней инженерных сооружений и конструкций.

Обусловлено это было отсутствием высокопроизводительных и эффективных механизированных средств и технологических приемов разработки (в том числе зимой), транспортировки, укладки, профилировки и, главное, быстрого и эффективного уплотнения грунтов.

В России большинство регионов расположено в зоне, где зимний период составляет от 5 до 9 месяцев в году, а около 63% территории страны вообще находится в зоне вечной мерзлоты.

Сегодня единственным видом строительно-монтажных работ, разрешенных для выполнения в полном объеме зимой, являются работы по возведению грунтовых насыпей, что позволяет хотя бы частично решать задачи по сохранению строительных кадров и более полной загрузке техники в течение года.

Действующие нормы по проектированию и строительству грунтовых насыпей предусматривают в основном использование грунта в конструкциях насыпей в талом виде с ограничением количества и геометрических размеров мерзлых включений.

Кроме этого, ограничения применения грунтов распространились на их виды, содержание пылевато-глинистых фракций, влажность, химико-минералогический состав и т.д.

За прошедший почти полувековой период способы создания грунтовых искусственных насыпей претерпели значительные изменения. Это, прежде всего, относится к техническим возможностям землеройно-транспортной техники для работы в зимний период по выполнению операций от разработки грунтов в карьере до уплотнения насыпи. Расширена эффективность и возможность для работы с переувлажненными и мерзлыми грунтами. Сложившаяся ситуация, когда технические возможности намного превосходят установленные нормы, негативным образом сказывается на прочности, устойчивости, стоимости и долговечности грунтовых насыпей.

Для решения этой проблемы была выполнена работа по изучению процессов стабилизации грунтовых массивов на научной базе, сформировавшейся за 50 лет использования современного парка землеройно-транспортных комплектов и комплексов.

Объект исследования: грунтовые насыпи строительных площадок, земляное полотно автомобильных, железных дорог и гидротехнических сооружений, возводимых в зимний период, формирование которых связано с физическими процессами в грунтовом массиве.

Предмет исследования: закономерности стабилизации деформаций насыпей, возведенных при отрицательных температурах, из грунтов нарушенной структуры в процессе технологического цикла и после него.

Цель работы: выявление процессов стабилизации грунтовых насыпей, возводимых в Западной Сибири в зимний период путем изучения закономерностей изменения деформаций и температурного режима грунта нарушенной структуры.

Задачи:

1. Уточнить математическую модель температурного режима насыпи в 3-мерной постановке задачи;

2. Выявить закономерности деформационных процессов насыпей возведенных из грунтов нарушенной структуры при их замерзании-оттаивании;

3. Получить эмпирические зависимости деформационных процессов на основе испытаний модельной насыпи из грунтов нарушенной структуры;

4. Выявить особенности стабилизации деформаций насыпей на опытных участках в процессе геотехнического мониторинга.

Научная новизна:

1. Уточнена математическая модель температурного режима насыпи из грунта нарушенной структуры в 3- мерной постановке задачи;

2. Установлена закономерность разуплотнения насыпей из связных грунтов при их замораживании-оттаивании;

3. Установлена закономерность разуплотнения и самоуплотнения насыпей из песчаных грунтов.

Достоверность защищаемых положений обеспечивается:

- методологической базой исследований, основанной на фундаментальных положениях механики грунтов, инженерной геологии, теории упругости, теплофизики;

- применением методов математической статистики по обработке полученных данных на всех этапах исследования с использованием программ Excel, Temp Keeper, Smart Video, являющихся симбиозом численного и аналитически вычисленных процессов и обеспечивающих высокую точность результатов данной работы;

- соблюдением основных принципов математического моделирования;

- результатами сопоставления теоретических и экспериментальных

данных, а также результатов других авторов;

- применение в процессе лабораторных и полевых исследований современных приборов и оборудования, температурных датчиков, климатических камер, аппаратуры для дистанционной передачи информации и т.д.

Практическая ценность работы заключается:

- в установлении закономерности стабилизации деформаций насыпей из грунтов нарушенной структуры, возведенных в зимний период;

- в обосновании сроков начала монтажных работ, на грунтовых насыпях, возводимых в зимний период, объектов промышленного и

гражданского назначения, конструкций дорожных одежд, строений путей железных дорог;

- в обосновании сроков и методов ускорения процессов формирования грунтовых насыпей;

- в повышении надежности, долговечности и увеличении межремонтных сроков инженерных сооружений и конструкций, смонтированных на грунтовых массивах, возводимых в зимний период.

Реализация работы

Результаты исследований реализованы:

- в ОАО «Ханты-Мансийскдорстрой» при возведении земляного полотна автомобильных дорог и нефтедобывающих площадок Среднего Приобья (СТО ОАО «ХМДС» 7.5-0.15-2009);

- в рамках НИР по государственному контракту №123-ДОН «Возведение земляного полотна железных и автомобильных дорог и гидротехнических сооружений при отрицательных температурах (в зимних условиях)»;

- в рамках договоров по НИР с ТНК-Уват, Salym Petroleum Development, ТНК-Bp по возведению земляного полотна промышленных площадок и промысловых дорог на Усть-Тегусском, Урненском месторождениях;

- в курсе лекций по дисциплинам «Особенности проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог в условиях Западной Сибири», «Технология и организация строительства автомобильных дорог», «Реконструкция автомобильных дорог» для специальности 270205 -«Автомобильные дороги и аэродромы»;

- в Тюменском государственном архитектурно-строительном университете (ТюмГАСУ) при выполнении дипломных проектов по специальности 270205 - «Автомобильные дороги и аэродромы».

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (г.Тюмень, 20 Юг). На IX, X научных конференциях молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСУ (г.Тюмень, 2008- 2010гг.), семинаре «Проблемы строительства грунтовых насыпей в ХМАО» (г.Ханты-Мансийск, 2009г.). На техническом совете «Обсуждение стандарта предприятия ОАО «ХМДС», (г.Сургут, 2009г.).

Личный вклад автора состоит:

- в проведении и получении результатов лабораторных и натурных экспериментальных исследований, их анализ и обобщение;

- в изучении состояния вопроса по анализу действующих нормативно-технических документов и современному техническому уровню землеройно-транспортного комплекса;

- в уточнении математической модели температурного режима насыпей из грунтов нарушенной структуры, возводимых в зимний период;

- в подготовке экспериментальной базы для проведения исследований;

- в обработке и получении эмпирических зависимостей деформации грунтовых насыпей, возводимых в зимний период.

На защиту выносятся:

- усовершенствованная математическая модель температурного режима насыпи из грунтов нарушенной структуры возведенной в зимний период;

- установление закономерности стабилизации деформаций насыпей из грунтов нарушенной структуры, возведенных в зимний период;

- уточненный механизм формирования грунтовых насыпей, возводимых в зимний период из связных и песчаных грунтов нарушенной структуры.

Публикации. По результатам работы опубликовано 8 научных статей, 2 из которых в изданиях, входящих в список ВАК.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа содержит 145 страниц машинописного текста, 81 рисунок, 16 таблиц, список литературы из 103 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и приведена общая характеристика работы.

Первая глава. Работы по сооружению грунтовых массивов во всех видах строительства проводились до середины прошлого века, в основном, (до 40%) в летний период. Это было связано, прежде всего, с отсутствием землеройной техники для выполнения трудоемких операций: экскаваторов для разработки грунтов в карьерах в зимних условиях; соответствующих автосамосвалов и высокопроизводительных уплотняющих машин и т. д.

Со второй половины XX века, по мере развития оборудования и машин по производству земляных работ, строительство насыпей переходит на зимний период, и к концу 90-х годов на некоторых территориях до 100% земляных работ выполняется при отрицательных температурах.

Экспериментальные и теоретические исследования, посвященные возведению грунтовых насыпей при отрицательных температурах, проводили H.A. Цытович, С.С. Вялов, Ю.К. Зарецкий, Ю.М. Васильев, В.Д. Казарновский, A.C. Лавинецкий, М.В. Панова, А.Я. Тулаев, А.Н. Шуваев, Б.Л. Юровский.

В настоящий период для выполнения земляных работ имеется множество механизированных комплексов машин, но действующие нормы и правила строительства не позволяют в полной мере использовать преимущества современной техники.

Можно констатировать, что в современный период возникает противоречие между средствами и правилами производства, решению которых и посвящена данная работа.

Действующие правила базируются на гипотезе о том, что формирование грунтовых насыпей завершается по окончании технологического процесса при условии уплотнения грунтов, находящихся в талом состоянии. Но это противоречит природным явлениям, а именно, замораживанию уплотненного грунта как в процессе технологического цикла, так и после него, что приводит к разуплотнению насыпи.

Первые нормативные документы, касающиеся возведения насыпей в зимний период, появились в области железнодорожного строительства в конце 30-х годов XX века. В них приводились нормы по выбору толщины отсыпаемого слоя, способам уплотнения грунта и т. д. Эти указания разрабатывались на основе практического опыта при строительстве конкретных объектов.

Основные требования действующих нормативных документов, регламентирующих возведение насыпей земляного полотна при отрицательных температурах, представлены на рисунке 1.

Действующие нормативные документы, регулирующие правила возведения земляного полотна в зимний период

Основные требования, предъявляемые документом СНиП 3.06.03-85 "Автомобильные дороги" "Руководство по сооружению земляного полотна автомобильных дорог" СН 449-72 "Указания по проектированию земляного полотна железных и автомобильных дорог"

Размер мерзлых комьев при возведении насыпей не более: 30 см при уплотнении грунтов решетчатыми катками или трамбующими машинами 15 см при уплотнении грунтов катками на пневмошинах или вибрационными 30 см при уплотнении грунтов трамбующими машинами 20 см гри уплотнении грунтов катками массой более 25т 20 см или $ отсыпаемого слоя

Правила укладки мерзлых комьев: не ближе 1м от поверхности откосов, мерзлый грунт должен равномерно распределяться не ближе 1м от поверхности откосов,мерзлый грунт должен равномерно распределяться размещать равномерно, не допуская укладку в виде гнезд и концентрацию в откосной части

Допускаемое количество мерзлого грунта, от объема укладываемого е насыпь, не более: 30% при уплотнении трамбованием 20% при уплотнении укаткой 30% независимо от способа уплотнения 30% независимо от способа уплотнения

Особые требования к уплотнению: уплотнение грунтов до требуемого уровня до их замерзания промежуток времени от выемки грунта в карьере до момента его окончательного уплотнения в насыпи: 2-Эч при 1 до-10вС, 1-2ч при < от-10 до-20'С, 1ч при 1 ниже -20°С уплотнение производить тяжелыми машинами (трамбующего действия, решетчатыми катками и др.) независимо от способа отсыпки и высоты насыпи

Рис. 1. Основные требования действующих нормативных документов по возведению земляного полотна в зимних условиях

Анализируя нормативные документы, можно прийти к выводу, что основные принципы и правила возведения земляного полотна в зимних условиях, разработанные еще в 50-60-е гг. остались неизменными, несмотря на богатейший отечественный и зарубежный опыт в этой области строительства.

В документах, регламентирующих возведение земляного полотна, на сегодняшний день не учтено различное физическое состояние грунтов

(твердомерзлые, пластично-мерзлые и др.). Также недостаточное внимание уделено физическому состоянию воды и процессам в грунтах при их замораживании-оттаивании.

Основной причиной этого являлась использование только песчаных грунтов, глинистые считались непригодными.

За последние 50 лет при строительстве насыпей в зимний период расширяется применение «непригодных» грунтов. Однако свойства тонкодисперсных в значительной степени отличаются от песчаных, и применение ранее разработанных нормативных документов не представляется возможным.

Из-за несовершенства нормативных документов строительный и эксплуатационный комплексы имеют неоправданные расходы финансовых средств и землеройно-транспортной техники.

В таблице 1 представлены ориентировочные потери от преждевременного ремонта конструкций автомобильных дорог по ОАО «ХМДС» за 2010г.

Таблица 1

Ориентировочные потери от преждевременного ремонта конструкций _автомобильных дорог__

Наименование конструктивного элемента автомобильной дороги Межремонтный срок Годовой объем работ Надежность Затраты на переустро йство и ремонт, млн руб.

Нормат ивный Фактичес кий Нормати вная Фактиче екая

Земляное полотно 8-15 2-5 9,5 млн м3 0,95 0,78 Песок- 1,5 Суглинок -320

Дорожная одежда 8-12 2-3 148 км 0,95 0,81 468,52

Укрепление откосов 10-15 5-8 480 тыс. м2 0,97 0,51 15,7

Нормативные документы, разработанные 40-50 лет назад I дополненные в 80-90 гг. не отражают кардинального изменения землеройно-транспортных комплектов и комплексов, а также полученных за этот период научных теорий в области формирования грунтовых насыпей. Действующие правила базируются на гипотезе о том, что формирование грунтовых насыпей завершается по окончании технологического процесса при условии уплотнения грунтов, находящихся в талом состоянии.

Отсутствует методика определения реального количества мерзлых включений в глинистом грунте, а также средства оперативного контроля качества по определению коэффициента уплотнения, т. е. при применении стандартных способов контроля качества уплотнения определяются только участки, на которых допущен брак.

Вторая глава. Решение по протаиванию и промерзанию грунтов нашли свое отражение в работах Ф.Г. Бакунина, Г.П. Бредюка, И.Н. Вотякова, С.С. Вялова, М.Н. Гольдштейна, Э.Д. Ершова, В.Ф. Жукова,

Ю.К. Зарецкого, A.M. Пчелинцева, JI.T. Романа, З.Г. Тер-Мартиросяна, В.Г. Чеверева, В.П. Ушкалова, Д.М. Шестернева, А.Н. Шуваева, H.A. Цытовича, F.C. Crory, J.F.Nixon, N.R. Morgenstern, S. Ogawa и многих других. Из них можно выделить решение, предложенное профессором В.А. Кудрявцевым.

Однако предложенная им формула тоже нуждается в уточнении, так как отклонение вычисленных глубин оттаивания (промерзания) от фактических в значительном ряде случаев превышает допустимое для инженерных расчетов значение, достигая 20 - 36 % .

Рассмотрена задача об изменении температуры грунта насыпи в форме призмы, расположенной на горизонтальной площадке.

За основу была принята математическая модель предложенная профессором МАДИ В.Н. Носовым для прогнозирования температурного режима штабеля асфальтобетонной смеси.

Условия задачи были сформулированы следующим образом: насыпь в виде призмы (поперечными уклонами ввиду их невысоких значений можно пренебречь) с произвольными размерами: длиной L (в зависимости от длины захватки) в направлении оси X, шириной В в направлении оси Y и высотой Н в направлении оси Z (рис. 2).

Температура воздуха изменяется случайным образом и может быть задана посредством фактических данных по наблюдениям на ближайшей метеостанции или на основе математического моделирования.

Интенсивность солнечной радиации на поверхности массива изменяется вследствие вращения Земли вокруг Солнца и вокруг своей оси. Принято, что поглощенная поверхностью энергия в результате облучения пропорциональна косинусу угла а между направлением на источник и нормалью к площадке.

Задача состояла в том, чтобы определить функцию распределения температуры внутри насыпи к произвольно выбранному моменту времени т, установить Т (х, у, г, т).

Граничные условия на подошве пирамиды ъ = 0 в начальный момент времени т„ приняты Тп (х, у, о, т0) = Тв (т0).

Граничные условия на верхней и боковых поверхностях определяются температурой воздуха и солнечной радиацией, которая по каждой поверхности будет различной в зависимости от ее ориентации.

Процесс изменения температуры в насыпи в самом общем виде описывается следующим дифференциальным уравнением в частных производных:

Л, - коэффициенты теплопроводности материала в соответствующих направлениях х, у, г;

р - плотность материала;

сзф - эффективная удельная теплоемкость материала, определяемая по

с — удельная теплоемкость материала; - влажность за счет незамерзшей воды;

X ~ теплота фазового перехода воды.

Решение уравнения сводится к нахождению функции Т, удовлетворяющей дифференциальному уравнению (1), начальному распределению температуры внутри насыпи, а также граничным условиям, отражающим действия на поверхности насыпи окружающей среды.

Для получения расчетной формулы представим насыпь в виде элементарных геометрических форм, в пределах которых закон изменения температуры принят линейным. В качестве элементарных форм приняты призмы, которые получаются при рассечении насыпи наклонными плоскостями на N1 элементов в направлении оси X, N2 элементов в направлении оси У и горизонтальными плоскостями на N3 элементов в направлении оси Ъ.

Расчётные формулы получены на основе применения законов Фурье и Ньютона - Рихмана к составлению тепловых балансов для всей группы элементарных объемов, из которых состоит насыпь.

При этом имеют место разнообразные варианты расположения элементарных объёмов массива.

Некоторые из них находятся во внутренней части насыпи, другие примыкают к внешним поверхностям и непосредственно воспринимают воздействие окружающей среды, в том числе и солнечной радиации. Зная, что протяженность насыпи значительна по сравнению с шириной, влиянием окружающих факторов на переднюю и заднюю грани призмы можно пренебречь, тогда в зависимости от места расположения элементарных объемов выбирается расчетная схема.

ОТ , ,

(1)

формуле:

(2)

Во внутренней зоне процесс распространения теплоты определяется значениями трех параметров: коэффициента теплопроводности X, удельной теплоёмкости С и плотности р.

Составим тепловой баланс элемента с размерами Дх, Ду, Дг, температура в расчетной точке которого в текущий момент времени ^ ав очередной ?г+Дг. Определим количество теплоты, вошедшее в элемент за время Д1 через грани призмы, на основании закона Фурье :

Щ = КДх,АусДт; Дй = к, ^"¡^А^Дт;

Дг Аг '

А 1 V И—^IX,¡У,12 ) А А А А 1 у1Я,1у-\,12 ) А А А

Щ = 4 -----ДхсДукДт; да = Я,, -----АхаАу^Аг.

Аг Аг

Элементы насыпи, примыкающие к этим поверхностям, находятся под влиянием окружающей среды. Количество теплоты, вошедшее через верхнюю или боковые поверхности, определяем с учётом коэффициента теплоотдачи по следующим формулам:

(т.+т -г„„,Л (Тв+Т

\2К a4+aJ

> (4)

А л (^"''^К» ) АЛЛ та.

А2б=ТТ-;-■ДхйДуйДг, где.

А^ , 1

о, - коэффициенты теплоотдачи через соответствующие поверхности;

Тв - температура воздуха;

Тзк, - эквивалентная температура от солнечной радиации в рассматриваемый момент времени.

Алгебраическая сумма количества теплоты, вошедшего за время Д1 через все грани в элемент, равна увеличению его энтальпии, что дает основание записать следующее равенство:

X да=д а +ай+да+да+да+да=ыр^ - (5)

Тогда формула для температуры в расчетной точке элементарного объема Дв очередной момент времени принимает вид:

I ,,

,А+1,«,гу,1г д 1 к,¿ж,¡у,¡2'

Пользуясь полученной формулой, можно по известному начальному распределению температуры во всех точках массива последовательно найти значения температуры в последующие моменты времени, вплоть до нужного момента времени.

Кроме того, при определении деформативных свойств необходимо учитывать процессы при переходе грунта из талого состояния в мерзлое.

В общем случае деформации грунтовых сооружений складываются из деформаций основания, на котором оно расположено и деформаций самих насыпей. Ввиду того, что деформационные процессы, протекающие в основаниях достаточно подробно изучены, в данной работе рассматриваются только деформации, протекающие непосредственно в грунтовых насыпях.

В общем виде деформации насыпей, возведенных в зимний период, можно описать формулой:

(7)

Добщ - общая деформация,

Д, - деформации при переходе грунта из талого состояния в мерзлое;

Д0 - деформации при переходе грунта из мерзлого состояния в талое.

Тогда осадку после оттаивания можно определить по формуле:

$ = Нн-Добщ. (8)

Формула 7 будет справедлива для песчаных грунтов, для глинистых грунтов Добщ определяется по формуле:

Добщ=Д3 + Кн-Д0,тт (9)

К„ - эмпирический коэффициент учитывающий набухание глинистого грунта при оттаивании, (для суглинка Кн = 0,4)

Для глинистых грунтов относительные деформации грунта при замерзании:

е = 0,09(1¥с — , где: (10)

Р„

\УС - суммарная влажность грунта;

рё - плотность сухого грунта;

рк - плотность воды.

Формула показывает величину относительной деформации грунта за счет увеличения его объема при замерзании воды, первоначально находящейся в порах грунта.

Влажность за счет незамерзшей воды определяется по формуле:

1¥к=Кк-\¥р, где: (11)

1¥к - влажность за счет незамерзшей воды;

Ку, - коэффициент содержания незамерзшей воды;

Wp - влажность на границе раскатывания.

Учитывая, что в процессе технологических циклов часть грунта перейдет в мерзлое состояние, необходимо ввести Кт - коэффициент содержания талого грунта который можно определить по формуле:

Km=l-KM,T№ (12)

Ки - содержание мерзлого грунта в долях единицы укладываемых в насыпь.

Учитывая выражения (9-12) получим:

M3 = Km-o,mwc-ww)^. (13)

J Pw

Тогда общие деформации глинистых грунтов можно представить в виде выражения:

Дсбщ = Кш • 0,от -Ww)fw + KH-fl0. (14)

Деформации при оттаивании грунта на основании полученных эмпирических зависимостей определяются по формуле:

д0 = 0.11W - 0,65 ,где: (15)

W- влажность грунтов, %

Деформации насыпей из грунтов нарушенной структуры, полученные на основе классических теорий механики грунтов H.A. Цытовича, В.А. Кудрявцева, связаны с морозным пучением в цикле замораживания-оттаивания и не учитывают остаточных деформаций, а для связных грунтов также деформации при набухании.

Для песчаных грунтов деформации замораживания - оттаивания зависят не от влажности как у связных, а от содержания пылеватых и глинистых фракций.

В данной работе получены зависимости для песчаных и глинистых грунтов, учитывающие деформации при замерзании насыпи, набухании и остаточные при оттаивании.

Третья глава. Моделирование деформационного и температурного режима насыпи было рассмотрено при следующих условиях:

- агрегатное состояние грунта однородное;

- модельная насыпь находится на абсолютно жестком основании;

- температурное поле стационарно.

Детальное изучение деформационных и температурных процессов проводилось на модели грунтовой насыпи с помощью установки, разработанной на кафедре «Автомобильные дороги и аэродромы» ТюмГАСУ.

Обоснование размеров модельной насыпи базировалось на теории подобия.

Для создания необходимых температурных режимов применялась морозильная камера марки КХН 2-6. Внутренний объем камеры 8м .

С целью изучения деформаций, возникающих на поверхности насыпи, было изготовлено устройство, состоящее из закрепленных на каркасе индикатора часового типа и видеокамеры.

Рис. 3. Расположение регистрирующих устройств для определения деформаций поверхности модели грунтовой насыпи: 1 - индикатор часового типа; 2 - видеокамера;

3 —опорный каркас; 4 — контактная ножка для передачи деформаций

Полевые исследования были проведены по двум основнг направлениям:

1. Изучение динамики протекания осадок насыпей, возведенных глинистого грунта при отрицательной температуре.

2. Изучение изменения температурного режима и физиг механических характеристик грунтов в процессе оттаивания насыпей.

На обследуемых участках был произведен отбор проб для определен характеристик, а также осуществлялся контроль выполнен-технологических операций.

Рис. 4. Установка грунтовых марок при строительстве подъездных дорог на Усть-Тегусском месторождении

Для контроля осадки насыпи были установлены металлические мари закладываемые на стадии возведения земляного полотна. Металлически марки наращивались пластиковыми трубами по мере возведения земляно полотна. |

Для мониторинга температурного состояния грунтовых массивс возведенных в зимний период, на тех же участках были заложег

температурные датчики 0818820. Для определения вертикального и горизонтального распределения температурных полей датчики были расположены в основании земляного полотна по оси и по бровкам, далее на поверхности отсыпаемых слоев.

Четвертая глава. В результате проведенных теоретических, модельных и полевых исследований получены результаты, позволяющие сделать сравнительную оценку между теорией и практикой, а также получить эмпирические данные по уточнению математических моделей и физических процессов, рассматриваемых в данной работе вопросов.

Температурный режим грунтовых насыпей позволяет показать переход грунта из талого состояния в мерзлое и обратно.

В процессе технологического цикла, от разработки грунта в карьере до окончательного уплотнения в насыпи, происходит образование мерзлого грунта, количество которого прямым образом влияет на однородность насыпей.

Распределение и соотношение объемов мерзлого и талого грунтов являются значимыми факторами, влияющими на плотность по окончании уплотнения и на деформации насыпи в процессе замораживания и оттаивания.

На рисунке 5 представлен график замораживания-оттаивания

На рисунке 5 представлены зависимости температуры от времени в разных точках по глубине насыпи, которые имеют одинаковый характер.

Время перехода температуры через О С тем больше, чем глубже наблюдаемая точка. Время оттаивания в 2,2 раза больше времени замерзания.

Скорость при замораживании имеет равномерный характер по всему температурному интервалу. Скорость оттаивания от О С до температуры окружающего воздуха меньше, чем скорость оттаивания от -13 до О С.

После первого летнего периода

После второго летнего периода

Е

с л о га х

га

£

О О -О

со

1,4

2,6

к

25

30

О о л Ш

\ УУопт с 1 1 1

1 \ &

\ 1

1 т

1 в:

X

Л С

1 Я Т

1

1

\Л/, %

25

35

- Влажность по оси

Рис. 6. Динамика изменения влажности по высоте насыпи в течении двух лет

%

- Влажность по бровке

Это указывают на то, что с переходом из твердой фазы в жидк влагоперенос влияет на скорость оттаивания.

На рисунке 6 представлена динамика влажности, полученной на оснс натурных данных насыпи высотой 2,8 м, отсыпаемой из суглинка \¥=2 при оптимальной ^/=2Ъ%.

По истечении 2 лет середина нижней трети насыпи характеризуе' влажностью выше оптимальной, что указывает на возможность появле! необратимых деформаций. Проявление этих деформаций мо>: спровоцировать нарушение устойчивости инженерных конструкг, находящихся на поверхности насыпи или разрушения дорожных оде автомобильных дорог, и верхних строений путей железных дорог.

V. V.

\ ^ к. ГгУ^ Л)

——

. _---... _

Время, в год

Данные, полученные в работе Пановой М.В. (2000 г)

1 СуглинокN/N/=1,5'УУопт (ось.низ);--3 Сутунок '^-1,5У\'опт (обочин .низ),

2 Суглинок W=1,5Woпт (ось,серед.); — - - 4 Суглинок УУ=15У\'олт ¡обочин серед.]

Данные, полученные на объектах ООО ТНК-Уват (2009-2011 г.)

1 Суглинок \Л/=1,5\/Уопт (ось,низ): Ф 3 Суглинок \Л/= 1 .б'ЛОпт (обочин .низ):

2 Суглинок У1/=1,5УУопт(ось,серед.); ^ 4 Суглинок УУ=1.5\Мэпт (обочин .серед.);

Рис. 7. Динамика влажности насыпи из суглинка

Сечение А-А

а)

Сечение Б-Б

....... ^

••ч

©

Рис.8. Температурные режимы замерзания и оттаивания модельной насыпи: а - плоскости сечения модельной насыпи; б - после 2 часов замораживания; | | - фактические данные - расчетные данные

На графике (Рис. 7) представлены кривые изменений влажности, полученные кандидатом технических наук Пановой М.В. (ТюмГАСУ 2000г.), которые указывают на сложные процессы происходящие в теле насыпи. Наложение наших данных свидетельствует о сходимости изменения влажности по годам в течение 2 лет после отсыпки. Это подтверждает факт, что наиболее непредсказуемой и неустойчивой является середина нижней трети насыпи, ее влияние на прочность грунтовой насыпи будет зависеть от ее ширины (рис. 8).

На рисунке 8 дано сравнение фактических температур оттаивания насыпи с данными, полученными теоретическим расчетом. Определены фактические значения наличия мерзлоты в средней части по оси насыпи и температура в этой части насыпи.

Скорость оттаивания натурной насыпи также аналогична скорости оттаивания грунта модельной насыпи.

Подтверждается, что скорость изменения температуры до 0 С для различных видов грунтов в 1,5-2,5 раза больше скорости до момента достижения температуры окружающего воздуха.

Оценивая деформации насыпи по коэффициенту уплотнения можно констатировать, что для песчаных грунтов средней крупности при начальном его значении 0,97 после процессов замораживания-оттаивания коэффициент уплотнения принял значение 0,965. Наблюдается изменение коэффициента уплотнения при замораживании-оттаивании.

В процессе замерзания грунтовой насыпи происходит уменьшение коэффициента уплотнения от 0,97 до 0,92 с одновременными проявлениями линейных деформаций как на обочинах, так и по оси, причем на обочинах деформации больше.

Рис. 9. Деформации насыпи из песка при замораживании-оттаивании (\^опт=6,5(

1- линейная вертикальная деформация бровки насыпи (0,43%);

2- линейная вертикальная деформация по оси насыпи (0,36%);

3-коэффициент уплотнения;

Рис. 10. Деформации модельной насыпи из суглинка при замораживании и оттаивании 1 —влажность (10%); 2 -влажность (19%); 3 —влажность (27%)

На рисунке 10 представлены деформации насыпи из суглин влажностью 10%, 19%, 27% при замораживании-оттаивании.

При замораживании происходят деформации, величина котор зависит от влажности и составляет от 0,52 до 2,6%. Процесс оттаивав

происходит по-другому: в начальной стадии наблюдается резкое набухание, вместе с этим - увеличение деформаций до 20%, после чего происходит их затухание.

-э-

Ч

ж

Д=о,п V- 0,65 4 —■*> ♦

+ ф ♦ ♦ .—%--♦ ♦

♦

10 15 20 25 30

Влажнось, %

ф - при замораживании, 1=-15°С 1 -по данным СНиП 3.06.03-85 Рис. 11. Зависимость линейной деформации модельной насыпи из суглинка различной влажности с учетом деформации набухания

Представленная на рисунке 11 зависимость имеет линейный характер. На рисунке 12 представлена динамика коэффициента уплотнения различных грунтов. Анализ показывает, что насыпи из песчаных грунтов формируются после первого цикла замораживания-оттаивания.

1,0.

К"; • - -

—

Стадия управлением формирования насыпи

1 год 2 год Згод

Замораживание Оттаивание Замораживание Оттаивание Замораживание Оттаивание

0,9'

0,8.

|0,6

т

О

* 0,5

Рис. 12. Динамика коэффициента уплотнения грунтов насыпи. 1 - песок мелкий (№=7%); 2 - сутлинок (№=19%); 3 - суглинок (№=27%)

Колебания плотности, а вместе с тем и коэффициента уплотнения изменяются от 1 до 0,92, что соответствует требованием норм.

Насыпи из связных грунтов формируются в течение нескольких лет! периодов. Для насыпи из суглинка с влажностью 19% стабилиза1 происходит в течение 2 лет, после первого цикла замораживания-оттаива1 наступает разуплотнение до коэффициента уплотнения 0,8. А суглинка влажностью 27% до 0,72. Для стабилизация грунтовой насыпи из суглинк влажностью 27% требуется более 3 лет.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Уточнена математическая модель температурного режима насыпи счет изменения расчетной схемы, начальных и граничных условий в мерной постановке задачи, позволяющая прогнозировать температуру любое время и в любой точке грунтовой насыпи.

2. Получены полуэмпирические зависимости деформаций грунтов насыпей из песчаных и связных грунтов в процессе замерзания-оттаиван Выявлен эффект набухания глинистых грунтов в начальный пер! оттаивания.

3. Выявлены закономерности деформационных процессов насып возведенных из грунтов нарушенной структуры при замерзании-оттаиван Стабилизация деформационных процессов для песчаных грунтов происхо; в течение 1 года. У суглинистых грунтов деформации разуплотне! связанные с набуханием в начальной стадии оттаивания больше, чем песчаных. Стабилизация деформационных процессов зависит от влажное Стабилизация грунтовой насыпи из суглинка влажностью 19% происходит течение 2 лет, насыпи из суглинка с влажностью 27% более 3 лет.

4. Выполненные лабораторные и полевые экспериментальн исследования позволяют с удовлетворительной для инженерных расче" точностью (до 15 %) описать процессы стабилизации грунтовых насып возводимых в зимний период при отрицательных температурах.

Основные опубликованные работы по теме диссертации

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Замятин, A.B. Результаты исследований грунтовых массив возведенных в зимний период при замораживании и оттаивании /А. Шуеаев, A.B. Замятин //Научно-технический вестник Поволжья: науч.- те> журн. -2011. - №2. - С.91-94.

2. Замятин, A.B. Теоретические основы деформирования грунтов насыпей, возводимых в зимний период /А. Н. Шуваев, A.B. Замятин Научный Вестник ВГАСУ. Строительство и архитектура: науч.- теор. журн. 2011. - №2. - С.83-90.

Публикации в других изданиях

3. Замятин, A.B. Стабилизация грунтовых насыпей в зимний период /А. Н. Шуваев, A.B. Замятин // Нефть и газ: науч.-теор. журн. - 2010. - №3. -С.93-97.

4.3амятин, A.B. Анализ нормативных документов, регламентирующих возведение насыпей автомобильных дорог в зимний период / A.B. Замятин II Строительный вестник Тюменской области. Строительство: науч.-тех. журн. -2009.-№1. -С. 80-81.

5.Замятин, A.B. Модельные испытания грунтовой насыпи при замораживании и оттаивании грунтов / А. Н. Шуваев, A.B. Замятин II Сб. матер. IX науч. конф. мол. уч., аспир. и соиск. ТюмГАСУ. - Тюмень: РИО ТюмГАСУ, 2010г-С. 128-132.

б.Замятин, A.B.Основные положения теоретических предпосылок возведения земляного полотна в зимнее время / А. Н. Шуваев, A.B. Замятин // Сб. матер. X науч. конф. мол. уч., аспир. и соиск. ТюмГАСУ. - Тюмень: РИО ТюмГАСУ, 20Юг-С. 100-103.

7.Замятин, А. В. CT О ОАО «ХМДС» 7.5-015-2009 «Устройство земляного полотна автомобильных дорог всех технических категорий в зимнее время в условиях Западной Сибири ХМАО - Югры» / А. Н. Шуваев,С.А. Куюков, М.В.Панова, С.П.Санников, A.A. Тестешев, Д.А.Гензе, A.A. Девятков, П.А.Девятков // Сургут:2009г,- 45 с.

8.3амятин, A.B. Отчет о НИР по государственному контракту №123-ДОН «Возведение земляного полотна железных и автомобильных дорог и гидротехнических сооружений при отрицательных температурах (в зимних условиях)» А. Н. Шуваев, , Д.А.Гензе, A.A. Девятков, A.A. Жигайлов, В.Д. Лучинская //- Тюмень: РИО ТюмГАСУ, 2010г.-102с.

Издательство

Тюменского государственного архитектурно-строительного университета

РИО ТюмГАСУ, 625001, Тюмень, ул.Луначарского, 2

ФГБОУ ВПО

ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201254504 Замятин Алексей Валерьевич

СТАБИЛИЗАЦИЯ ГРУНТОВЫХ НАСЫПЕЙ, ВОЗВОДИМЫХ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД В УСЛОВИЯХ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ

05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Заслуженный работник Высшей школы РФ доктор технических наук, профессор А.Н.Шуваев

Тюмень - 2011

СОДЕРЖАНИЕ

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ 9

1.1 Общие требования к организации и технологии возведения

насыпи земляного полотна в зимний период 9

1.1.1 Особенности зимних работ 9

1.1.2 Общие требования к выполнению подготовительных работ 12

1.1.3 Особенности разработки и транспортировки грунта 15

1.1.4 Требования к уплотнению насыпей возводимых в зимний период 22

1.1.5 Контроль качества при возведении грунтовых насыпей в зимний период 26

1.2 Анализ нормативных документов регламентирующих возведение земляного полотна в зимний период 27

1.3 Требование к грунтам 37

1.3.1 Грунты, применяемые для возведения грунтовых насыпей в зимний период 37

1.3.2 Применение мерзлых грунтов в конструкциях насыпей земляного полотна г 39 Выводы по главе 1 41 Задачи диссертационной работы 42 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ВОЗВЕДЕНИЯ ГРУНТОВЫХ НАСЫПЕЙ В ЗИМНИЙ ПЕРИОД 43

2.1 Исходные теоретические предпосылки 43

2.2 Описание физических процессов протекающих в грунтах при замораживании-оттаивании ' 47

2.3 Разработка математической модели и расчетной схемы

прогнозирования температурного режима насыпи земляного полотна 54

2.40бзор формул для расчета деформаций грунтов в процессе замерзания-оттаивания 63

Выводы по главе 2 69

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ГРУНТОВОЙ НАСЫПИ ПРИ ЗАМОРАЖИВАНИИ -ОТТАИВАНИИ 70

3.1 Модельные исследования 70

3.1.1 Изучение напряженно-деформированного состояния и температурного режима грунтов нарушенной структуры в процессе замораживания-оттаивания грунта модельных и натурных насыпей 70

3.1.2 Методика проведения лабораторных исследований модельных насыпей 72

3.2 Полевые исследования 79 Выводы по главе 3 87

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 88

4.1 Температурные режимы грунтовой насыпи возведенной в зимнее

время и изменение влажности в процессе замерзания -оттаивания 88

4.2 Деформации грунтов в процессе замораживания-оттаивания 98 ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 106 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ' 107

118

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

До 30-х годов истекшего столетия грунтовые насыпи строительных площадок, земляное полотно автомобильных и железных дорог, гидротехнических сооружений возводили только в теплое время года стадийным способом, предусматривающим значительный разрыв во времени между монтажом и устройством самой насыпи и располагающихся на ней инженерных сооружений и конструкций. Это было обусловлено отсутствием приемлемых и эффективных механизированных средств и технологических приемов разработки (в том числе зимой), транспортировки, укладки, профилировки и, главное, быстрого и эффективного уплотнения грунтов.

Прочность и устойчивость возведенных насыпей обеспечивалась в основном за счет естественной консолидации (осадки) грунта во времени. Поэтому монтаж инженерных конструкций, устройство дорожных одежд, верхних путей железных дорог разрешалось выполнять только спустя определенный промежуток времени, составляющий, в зависимости от типа и состояния грунта. Такое положение вошло в противоречие с развернувшимся после 1930 г. массовым дорожным строительством в США, Германии и других странах. Необходимо было исключить сезонность и стадийность устройства земляного полотна, а для этого нужны были, прежде всего, соответствующие грунтоуплотняющие средства и технологические методы уплотнения различных грунтов, в том числе и в зимний период ведения работ. Особенно актуальной такая задача была и остается сейчас для многих мест и регионов России, где зимний период, в отличие от многих европейских стран, составляет не менее 5-9 месяцев в году и где около 63% территории страны вообще находится в зоне вечной мерзлоты.

По статистике, возведение насыпей выполняют в зимний период до 6070% годового объема земляных работ, а в отдельных северных регионах даже до 95-100%. Сегодня в России единственным видом земляных работ, разрешенных для выполнения зимой в полном объеме [4,82], являются работы по отсыпке грунтовых насыпей, что позволяет хотя бы частично решать задачу

по сохранению кадров и более полной загрузке техники. Действующие нормы по проектированию и строительству земляного полотна линейных сооружений предусматривают в основном использование грунта в конструкциях в талом виде [3,4,74,82]. Однако в естественных условиях существует период с отрицательными температурами, и грунт в конструкциях земляного полотна обязательно оказывается в течение того или иного времени в мерзлом состоянии. А при производстве работ в зимнее время грунт замерзает в течение нескольких часов (в зависимости от температуры окружающего воздуха, вида и влажности). При последующем переходе грунтов в талое состояние возникают соответствующие необратимые деформации земляного полотна. При определенных условиях эти деформации могут быть настолько значительными, что не учет их может повлиять на эксплуатационные параметры насыпей.

Объект исследования: грунтовые насыпи строительных площадок, земляное полотно автомобильных, железных дорог и гидротехнических сооружений, возводимых в зимний период, формирование которых связано с физическими процессами в грунтовом массиве.

Предмет исследования: закономерности стабилизации деформаций насыпей, возведенных при отрицательных температурах, из грунтов нарушенной структуры в процессе технологического цикла и после него.

Цель работы: выявление процессов стабилизации грунтовых насыпей, возводимых в Западной Сибири в зимний период путем изучения закономерностей изменения деформаций и температурного режима грунта нарушенной структуры.

Задачи:

1. Уточнить математическую модель температурного режима насыпи в 3-мерной постановке задачи;

2. Выявить закономерности деформационных процессов насыпей возведенных из грунтов нарушенной структуры при их замерзании-оттаивании;

3. Получить эмпирические зависимости деформационных процессов на основе испытаний модельной насыпи из грунтов нарушенной структуры;

4. Выявить особенности стабилизации деформаций насыпей на опытных участках в процессе геотехнического мониторинга.

Научная новизна:

1. Уточнена математическая модель температурного режима насыпи из грунта нарушенной структуры в 3- мерной постановке задачи;

2. Установлена закономерность разуплотнения насыпей из связных грунтов при их замораживании-оттаивании;

3. Установлена закономерность разуплотнения и самоуплотнения насыпей из песчаных грунтов.

Достоверность защищаемых положений обеспечивается методологической базой исследований, основанной на фундаментальных положениях механики грунтов, инженерной геологии, теории упругости, теплофизики; применением методов математической статистики по обработке полученных данных на всех этапах исследования с использованием программ Excel, Temp Keeper, Smart Video; соблюдением основных принципов математического моделирования; результатами сопоставления теоретических и экспериментальных данных, а также результатов других авторов; применение в процессе лабораторных и полевых исследований современных приборов и оборудования.

Практическая ценность работы заключается в установлении закономерности стабилизации деформаций насыпей из грунтов нарушенной структуры, возведенных в зимний период; в обосновании сроков начала монтажных работ, на грунтовых насыпях, возводимых в зимний период, объектов промышленного и гражданского назначения, конструкций дорожных одежд, строений путей железных дорог; в обосновании сроков и методов ускорения процессов формирования грунтовых насыпей; в повышении надежности, долговечности и увеличении межремонтных сроков инженерных сооружений и конструкций, смонтированных на грунтовых массивах, возводимых в зимний период.

Результаты исследований реализованы в ОАО «Ханты-Мансийскдорстрой» при возведении земляного полотна автомобильных дорог и нефтедобывающих площадок Среднего Приобья (СТО ОАО «ХМДС» 7.5-0.152009); в рамках НИР по государственному контракту №123-ДОН «Возведение земляного полотна железных и автомобильных дорог и гидротехнических сооружений при отрицательных температурах (в зимних условиях)»; в рамках договоров по НИР с ТНК-Уват, Salym Petroleum Development, ТНК-Bp по возведению земляного полотна промышленных площадок и промысловых дорог на Усть-Тегусском, Урненском месторождениях; в курсе лекций по дисциплинам «Механика грунтов» для специальности 270102.65 -«Промышленное и гражданское строительство», «Особенности проектирования, строительства и эксплуатации автомобильных дорог в условиях Западной Сибири», «Технология и организация строительства автомобильных дорог», для специальности 270205.65 - «Автомобильные дороги и аэродромы».

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительства, экологии и энергосбережения в условиях Западной Сибири» (г.Тюмень, 20 Юг). На IX, X научных конференциях молодых ученых, аспирантов и соискателей ТюмГАСУ (г.Тюмень, 2008- 2010гг.), семинаре «Проблемы строительства грунтовых насыпей в ХМАО» (г.Ханты-Мансийск, 2009г.). На техническом совете «Обсуждение стандарта предприятия ОАО «ХМДС», (г.Сургут, 2009г.).

Личный вклад автора состоит в проведении и получении результатов лабораторных и натурных экспериментальных исследований, их анализ и обобщение; в изучении состояния вопроса по анализу действующих нормативно-технических документов и современному техническому уровню землеройно-транспортного комплекса; в уточнении математической модели температурного режима насыпей из грунтов нарушенной структуры, возводимых в зимний период; в подготовке экспериментальной базы для

проведения исследований; в обработке и получении эмпирических зависимостей деформации грунтовых насыпей, возводимых в зимний период.

На защиту выносятся:

- усовершенствованная математическая модель температурного режима насыпи из грунтов нарушенной структуры возведенной в зимний период;

- установление закономерности стабилизации деформаций насыпей из грунтов нарушенной структуры, возведенных в зимний период;

- уточненный механизм формирования грунтовых насыпей, возводимых в зимний период из связных и песчаных грунтов нарушенной структуры.

Публикации. По результатам работы опубликовано 8 научных статей, 2 из которых в изданиях, входящих в список ВАК.

ГЛАВА 1.

АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Общие требования к организации и технологии возведения насыпей земляного полотна в зимний период 1.1.1 Особенности зимних работ

Работы по сооружению грунтовых массивов в дорожном гидротехническом и других видов строительства проводились до середины прошлого века в основном (до 90%) в летний период. Это было связано, прежде всего, с отсутствием землеройной техники для выполнения трудоемких операций: экскаваторов для разработки грунтов в карьерах в зимних условиях, соответствующих автосамосвалов, высокопроизводительных уплотняющих машин и т. д. Со второй полоны XX века по мере развития оборудования и машин по производству земляных работ строительство насыпей переходит на зимний период и концу 90 годов до 95% земляных работ производится при отрицательных температурах.

Фундаментальной базой многих научных направлений исследования строительных и деформационных свойств замерзающих, мерзлых и оттаивающих грунтов послужили работы H.A. Цытовича, М.И. Сумгина и др. Большое значение для разработки основ строительства грунтовых сооружений в Западной Сибири имели работы С.С. Вялова, Ю.К. Зарецкого и др. В связи с экономическим ростом развития нефтегазоносных районов Западной Сибири возросла актуальность исследований посвященных возведению насыпей строительных площадок, дорог, гидротехнических сооружений. Крупные исследования, послужившие основой технологических и организационных решений по сооружению грунтовых насыпей проводились в СоюзДорНИИ (В.Д. Казарновский, И.Е. Евгеньев и др.), в СибАДИ (В.Н. Шестаков, A.C. Лавинецкий и др.), в ТюмГАСУ (А.Н. Шуваев, М.В. Панова). Также

значительный вклад в экспериментальные и теоретические исследования внесли Ю.М. Васильев, АЛ. Тулаев, Б.Л. Юровский и др.

В настоящий период для выполнения земляных работ имеется множество механизированных комплексов машин, но действующие нормы и правила строительства не позволяют в полной мере использовать преимущества современной техники. Можно констатировать, что в современный период возникает противоречия между средствами производства и правилами производства снятию которых и посвящена данная работа.

Действующие правила базируются на гипотезе о том, что формирование грунтовых насыпей завершается по окончании технологического процесса при условии уплотнения грунтов находящихся в талом состоянии. Но это противоречит природным явлениям, а именно замораживанию уплотненного грунта в процессе чего меняются физические характеристики, приводящие к разуплотнению насыпи.

Согласно требованием нормативных документов [3,4,74,82] в зимний период возможно выполнять следующие работы: возведение насыпей из крупнообломочных и песчаных грунтов, разработку выемок и резервов в необводненных песках, гравийно-галечных и скальных грунтах; возведение насыпей из глинистых грунтов при влажности, близкой к оптимальной на устойчивых основаниях; разработку в непереувлажненных глинистых грунтах выемок глубиной более 3 м; устройства насыпей на болотах; выторфовывание; укрепление откосов насыпей регуляционных сооружений и русел рек каменной отсыпкой, бетонными плитами и т.п.; устройство штолен и дренажных прорезей.

Земляные работы в зимнее время должны выполняться непрерывно; работы следует вести высокими темпами с концентрацией производственных средств на узком фронте. Разработка боковых резервов возможна при отсутствии смерзания грунтов или в начале зимнего периода при температуре, близкой к 0°. В остальных случаях работы целесообразно вести из глубоких сосредоточенных резервов или карьеров, пригодных для работы

экскаваторов. [74, 83] Кроме того отрицательные температуры при производстве работ предъявляют и особые требования к дорожно-строительным машинам. Они должны иметь утепленные кабины и капоты для двигателей, усиленное осветительное оборудование, а также дополнительное оборудование для очистки рабочих органов от смерзшегося грунта, устройства, повышающие проходимость машин в зимнее время. Фронт работ и подъездные пути должны быть ограничены хорошо видимыми и не заносимыми снегом знаками.[74,83]

Основными технологическими операциями по формированию земляного полотна в зимний период являются:

1. Подготовительные работы (подготовка резервов грунта, подготовка полосы отвода)

2. Основные работы по формированию насыпи

2.1 Разработка, транспортировка, отсыпка грунта,

2.2 Разравнивание и уплотнение грунта

3. Контроль качества производства земляных работ

По сравнению с летней технологией отсыпки земляного полотна в зимний период основной сложностью являются наличие мерзлого грунта обладающей высокой механической прочностью, а также изменение физико-механических и химических свойств при оттаивании в летний период.

Для выбора технологии производства работ, средств уплотнения грунты можно классифицировать (рис. 1.1)

Рис. 1.1. Классификация грунтов

1.1.2 Общие требования к выполнению подготовительных работ

До начала земляных работ на объектах, намеченных к строительству в зимних условиях, кроме общих подготовительных работ, должны быть выполнены следующие специальные подготовительные работы: установлены снегонезаносимые разбивочные знаки, обеспечен водоотвод на участках производства работ на трассе; подготовлены подъездные пути и средства защиты их от снежных заносов; предохранены от промерзания участки, намеченные к разработке, а также участки с пучинистыми основаниями; обеспечено освещение мест разработки и укладки грунта; подготовлены помещения для обогрева рабочих [74].

Так же выполняется подготовка поверхности сосредоточенных резервов и грунтовых карьеров, устройство подъездных дорог, расчистка поверхности, устройство входных забоев и пионерных траншей, а также при соответствующем обосновании устройство отепляющих слоев или использовании химических реагентов для предотвращения промерзания грунта [4,74,70,82].

Пре�