Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ результатов исследований по проблеме устойчивости земляного полотна автомобильных дорог 10
1.1. Классификация слабых грунтов во Вьетнаме 10
1.2. Типичные деформации и разрушения земляного полотна, возникающие при изменении влажности грунта 15
1.3. Методы стабилизации, применяемые для повышения несущей способности слабых грунтов 18
1.4. Технологические и конструктивные решения, используемые для отвода поверхностных вод 26
1.5. Основные технологические приемы, применяемые при армировании земляного полотна 32
1.6. Устройство земляного полотна на слабых и переувлажненных грунтах 39
1.7. Цель и задачи исследования 44
Глава 2. Теоретические аспекты обеспечения устойчивости земляного полотна в условиях повышенной влажности 45
2.1. Исследование водно-теплового режима, влияющего на устойчивость земляного полотна во Вьетнаме 45
2.2. Расчет риска при переувлажнении грунта земляного полотна 51
2.3. Прогнозирование осадки основания земляного полотна, сооружаемого на слабых грунтах 54
2.4. Оценка местной устойчивости откосов насыпей и выемок 57
2.5. Прогнозирование результатов воздействия различных факторов на откосы земляного полотна 60
2.6. Выводы по главе 2 72
Глава 3. Экспериментальные исследования по обеспечению устойчивости земляного полотна 74
3.1. Приборы, оборудования и методика проведения эксперимента 74
3.2. Результаты экспериментальных исследований 79
3.3. Совершенствование методики расчета влажности грунтов земляного полотна при различном уровне грунтовых вод 81
3.4. Целесообразные конструкции земляного полотна, сооружаемого на переувлажненных грунтах 90
3.5. Виды и свойства геоматериалов, применяемых в дорожной отрасли 93
3.6. Рекомендации по применению геоматериалов для повышения устойчивости земляного полотна, сооружаемого на переувлажненных грунтах 97
3.7. Выводы по главе 3 100
Глава 4. Разработка комплексной системы по обеспечению устойчивости земляного полотна и откосов, сооружаемых на слабых грунтах 102
4.1. Осушение грунтов с повышенной влажностью за счет испарения влаги... 102
4.2. Устройство вертикальных дренажей для отвода воды 105
4.3. Армирование земляного полотна с применением бамбуковых свай 108
4.4. Стабилизация грунтов земляного полотна методом холодного ресайклинга 112
4.5. Упрочнение слабых грунтов на основе применения извести 117
4.6. Применение метода пневмонабрызга для укрепления откосов 119
4.7. Применение сборных решетчатых конструкций для укрепления откосов.. 127
4.8. Выводы по главе 4 129
Общие выводы 131
Библиографический списокq
- Методы стабилизации, применяемые для повышения несущей способности слабых грунтов
- Прогнозирование осадки основания земляного полотна, сооружаемого на слабых грунтах
- Совершенствование методики расчета влажности грунтов земляного полотна при различном уровне грунтовых вод
- Армирование земляного полотна с применением бамбуковых свай
Методы стабилизации, применяемые для повышения несущей способности слабых грунтов
Кроме приведенных выше деформаций из-за переувлажнения грунтов насыпей могут возникать пучины, происходить размывы и подмывы основания или самих насыпей.
Поэтому для эффективного и целесообразного проектирования, строительства и содержания автомобильных дорог необходимо знать причины основных видов деформаций дорожных конструкций. Основной причиной их возникновения является повышение и переувлажнение грунта земляного полотна, т.е. нарушение его водно-теплового режима. Правильное определение причин деформаций земляного полотна с учетом повышения влажности обеспечивает надежность расчета устойчивости и прочности грунтов инженерного сооружения.
Во Вьетнаме основную часть равнинной территории занимают слабые грунты. Поэтому для повышения качества содержания автомобильных дорог следует производить укрепление или стабилизацию слабых грунтов для обеспечения их несущей способности. Конструкция земляного полотна на слабых грунтах должна обеспечивать ограничение неблагоприятных последствий при воздействии поверхностных и грунтовых вод [131, 149, 147, 148]:
Грунт должен иметь хорошие дренирующие свойства (по TCVN 5747-1993). - Степень уплотнения грунтов, минимальная высота насыпи, возвышающаяся над горизонтом паводковых вод и грунтовых вод, а также устойчивость земляного полотна должны соответствовать положениями TCVN 4054-1998 и TCVN 5729-1997.
В целях сохранения стабильности грунтов в земляном полотне можно понизить высоту насыпи. В соответствии с требованиями нормативных документов минимальная высота насыпи должна быть в пределах 1,2 - 1,5 м от контакта с слабым грунтом, или из 0,8 - 1 м от поверхности песчаного подстилающего слоя, чтобы гарантировать, что подошву насыпи не подстилают слабые грунты. Данные требования не касаются объездных и подъездных дорог.
При проектировании насыпи на слабых грунтах на основе прогнозирования устойчивости и осадки основания прорабатываются варианты дополнительных мероприятий по обеспечению несущей способности слабых грунтов и ускорению их осадки (с учетом особенностей проектируемой дороги, местных условий и технических возможностей строительной организации) [1].
В практике строительства автомобильных дорог на слабых грунтах во Вьетнаме в основным использовались следующие мероприятия: удаление слабых грунтов из-под насыпей, выторфовывание, сваи из дренирующих материало, бамбуковые (особый вид дерева в южном Вьетнаме) сваи и др.
Применение этих мероприятий приводило к увеличению финансовых, трудовых и материальных затрат и замедлению темпов строительства. Опыт транспортного строительства на слабых грунтах во Вьетнаме, накопленный на протяжении десятилетний свидетельствует о том, что общая стоимость строительства на участках с преобладанием слабых грунтов увеличивется в 3-6 раз по сравнению с благоприятными инженерно-геологическими условиями. Кроме того, в некоторых случаях происходили деформации и разрушения сооружений в связи с просадками и оползнями.
Из опыта Российских и Вьетнамских ученых следует использовать несколько методов для повышения несущей способности слабых грунтов при отсыпке земляного полотна: а) Устройство насыпей с заменой слабых грунтов в основании на доброкачественные;
При использовании данного метода при возведении насыпей достигается комплексный эффект повышения прочности и ускорения консолидации основания. Метод заключается в удалении верхней части слабой толщи с последующим заполнением траншеи дренирующим грунтом.
Схема частичного удаления грунта: а - подготовка траншеи; б - вид после устройства насыпи В случае полного удаления слабого грунта из траншеи определяются путем обеспечения устойчивости краевых частей насыпи при минимальном объёме работ. Ширину дна траншеи принимают разную для дорог с усовершенствованными капитальными покрытиями, с переходными и низшими типами. Для дорог с усовершенствованными капитальными покрытиями равной ширине земляного полотна с учетом заложения откосов, для дорог с переходными типами равной ширине земляного полотна поверху (рис. 1.9). Рис. 1.9. Схема земляного полотна с удалением слабых грунтов в основании: а -для усовершенствованных покрытий; б - для переходных и низших покрытий
В зависимости от способа удаления слабых грунтов конструкции нижней части земляного полотна может быть разные, поэтому в процессе проектирования необходимо рассматривать и сравнивать варианты несколько вариантов поперечного профиля.
Замена слабого грунта в основании насыпи может производиться с помощью экскаватора. В этом случае работы осуществляют двумя бригадами: одна удаляет слабый грунт, другая производит замену и последующую отсыпку насыпи до проектной отметки.
Вертикальные дрены устраивают в грунтах с повышенной влажностью с целью ускорения консолидации основания за счёт сокращения пути фильтрации воды, отжимаемой из слабой толщи [1, 2, 3, 7]. Они используются в грунтах с повышенной влажностью при толщине слоя не менее 4 м с коэффициентом фильтрации не менее 10"4 м/сут. Не применяют вертикальные дрены для консолидации плотных глинистых грунтов и малоразложившегося неуплотнённого слоя торфа. В случае когда дренируемая толща имеет более высокую горизонтальную проницаемость эффективность дрен может повышаться.
Прогнозирование осадки основания земляного полотна, сооружаемого на слабых грунтах
При использовании слабых грунтов в основании происходят его деформации, вызывающие соответствующие деформации насыпей [28], вследствие чего приводят к разрушению конструкции дорожной одежды, намного влияет на безопасность движения и приводят к ущербу экономики стран. Осадка основания - явление процесса его деформации. При обеспечении прочности слабых грунтов и устойчивости самой насыпи происходит осадка основания, поэтому на стадии проектирования и строительства земляного полотна автомобильных дорог необходимо учитывать осадку, возникающую в результате процесса устройства основания на слабых грунтах.
Во Вьетнаме на большой части территории залегают слабые грунты, которые включают в себя переувлажненные грунты. Поэтому в нашей стране вопрос обеспечения устойчивости и стабильности основания, сооружаемого на слабых грунтах является одном из самых основных требований при сооружении земляного полотна в дорожной отрасли.
Осадка слабой толщи растянута во времени, поэтому при ее прогнозировании необходимо решать две задачи: учет возможной конечной величины и процесса осадки насыпи во времени, вызванной уплотнением грунта ее основания под действием нагрузки от веса насыпи [110, 121, 62, 90].
Расчетная схема для расчета осадки слабого основания: 1 - насыпь; 2, 3, 4 - слои основания; 5 - водонепроницаемый подстилающий слой; 6 - эпюра вертикальных напряжений от веса насыпи; 7 - открытая система; 8 - закрытая система; 9 - пассивная зона; 10 - активная зона Конечная величина осадки определяется методом послойного суммирования с использованием зависимости:
Модуль осадки грунта каждого из расчетных слоев конструкции определяется по результатам лабораторных компрессионных испытаний его образцов по формуле: где е\- модуль осадки при нагрузке pz + ас в; е" z - модуль осадки при нагрузке, отвечающей структурной прочности грунта аст crce, pz - расчетное напряжение соответственно собственного веса толщи и от внешней нагрузки на данном горизонте.
Прогноз хода осадки во времени выполняется для двух участков кривой осадки: первичной и вторичной консолидации. На участке первичной осадки время достижения реальным слоем относительной деформации определяет по формуле: где ьЛр - консолидационный параметр, нф - расчетный путь фильтрации воды, отжимаемой из слоя, принимаемый равным мощности слоя при одностороннем дренировании и половине мощности при двухстороннем дренировании.
Во Вьетнаме дождливый сезон длится 6-7 месяцев и характеризуется продолжительными ливнями, вследствие чего в этом сезоне грунты земляного полотна обычно увлажняются. Основной причиной нарушения местной устойчивости откосов земляного полотна является избыточное увлажнение [61]. Нарушение местной устойчивости откосов проявляется в смещении их поверхностных слоев. Поверхностные и дождевые стоки, попадая на откос, вызывают его деформации в виде смыва грунта, размывов и стекания поверхностного слоя к подошве откоса [86]. Насыпи или выемки, сложенные глинистыми грунтами, за счет переувлажнения грунтов происходит оползание и сплыв откосов. Поэтому при проектировании и строительстве земляного полотна с целью обеспечения устойчивости откосов необходимо выполнять расчет их местной устойчивости.
Вопросы устойчивости земляного полотна являются наиболее важными при выборе, расчетах геометрических параметров автомобильных дорог. Необходимость обеспечения устойчивости откосов учитывается при проектировании поперечного профиля насыпей и выемок. На откосы оказывают влияние различные группы факторов, которые зависят от природно-климатических, геологических и транспортных условий. Для выбора наиболее целесообразного варианта при проектировании и устройстве откосов требуется знание иерархии таких факторов и связи между ними, а также их влияния на состояние откосов. Поэтому при выборе мероприятий повышающих устойчивость откосов формируется новая задача, которая заключается в суммировании параметров, влияющих на устойчивость откосов и выражении их зависимость в аналитическом виде. Такая математическая модель позволяет найти оптимальное решение, которое обеспечит устойчивость откосов насыпей и выемок.
Назначение крутизны откосов играет важную роль при проектировании и строительстве земляного полотна автомобильных дорог. Выбор целесообразной для различных условий крутизны откоса позволяет снизить риск аварии, уменьшить объемы земляных работ и финансовые затраты. Крутизна откосов принимается с учетом возможности от безопасного съезда автомобилей с дороги при экстренных обстоятельства, обеспечения переноса снега или песка, категории дороги и минимизации затрат. Опыт эксплуатации автомобильных дорог свидетельствует о том, что необходимо: насыпи высотой до 12 м устраивают с переменным заложением от 1:1,2 до 1:1,75. Устраивать высокие насыпи можно после расчета их устойчивости, т.к. в случае переувлажнения под действием собственного веса грунта или веса съехавшего на обочину автомобиля откосы могут оползать. Для исследования влияния крутизны на устойчивость грунтового откоса рассмотрим откос грунта, обладающего только трением (не обладающего сцеплением) [122]:
Совершенствование методики расчета влажности грунтов земляного полотна при различном уровне грунтовых вод
Для осушения грунтов с повышенной влажностью могут осуществлять путем физического испарения воды с поверхности открытого поля методами теплового баланса, турбулентной диффузии, водного баланса и эмпирическими методами [6, 89, 97].
При использовании метода теплового баланса измеряют радиационный баланс, поток тепла в грунт, теплообмен поверхности грунта с атмосферой и определяют среднее испарение с большой площадки. Для выполнения метода турбулентной диффузии измеряют вертикальный поток водяного пара в приземном слое атмосферы путём определения градиентов влажности воздуха, его температуры и скорости ветра. Величина испарения, определяемая методами теплового баланса и турбулентной диффузии отражает сумму физического испарения и транспирапии воды растениями При сооружении земляного полотна используют этих методов с помощью определённых поправок.
Метод водного баланса используют в научно-исследовательских процессах. При применении метода водного баланса определяют влагосодержания в начале и конце периода испарения; суммы осадков в такой период; поверхностного стока и влагообмена рассматриваемого слоя с нижележащими слоями.
Метод определения испарения эмпирическими формулами широко применяют но малопригодно используют для прогноза испарения с грунтов земляного полотна.
Процесс испарения воды из техногенных грунтов происходит на три основных периода. Первый период зависит только от метеорологических факторов. В процессе возникает свободные воды в верхнем слое грунтовой поверхности и интенсивность испарения является суммой диффузного и ветрового испарения. Первый период испарения продолжается до тех пор, пока интенсивность испарения не превышает притока собственно-капиллярной или капиллярно-подвешенной воды к грунтовой поверхности. Второй период определяется метеорологическими факторами и скоростью подтока пленочной воды, которая находится ниже рассматриваемого слоя. Второй период испарения продолжается до тех пор, пока влажность грунта ниже максимальной гигроскопичности. Интенсивность испарения третьего периода зависит от метеорологических факторов, плотности и толщины слоя сухого грунта, через который диффундируют пары. Испарение грунтов зависит от различных факторов, которые могут разделить на две группы: - факторы, влияние которых можно выразить через постоянные коэффициенты (удельная теплоемкость воздуха, скрытая теплота испарения, плотность, атмосферное давление воздуха); - факторы, требующие непосредственного измерения (температура и влажность воздуха, скорость ветра, плотность и влажность грунта и толщина сухого слоя грунта, через который диффундируют водяные пары в атмосферу). Для определения интенсивности испарения (/цси), зависимого от суммой диффузного и ветрового факторов используется закономерность:
На практике для прогнозирования испарения воды из грунтов земляного полотна определяют следующие метеорологические данные: значение упругости насыщенного пара на границе с испаряющей поверхностью, абсолютную влажность воздуха, дефицит влажности воздуха и скорости ветра и суммарную продолжительность выпадения осадков в рассматриваемый период. Для грунтов необходимы следующие данные: начальная влажность грунта в верхнем 5-сантиметровом слое и его оптимальная влажность, тип нижележащего грунта, число его пластичности, влажность, плотность сухого грунта, эпюра влажности и положение горизонта грунтовых вод и верховодки.
При влажности грунтов в пределах (0,4...0,9) интенсивность просыхания практически не зависит от его начальной влажности и степени уплотнения, поэтому для определения испарения воды с грунтами естественного сложения могут предложенный В.М. Сиденко [6]: где wT VLWH - относительная влажность грунта начальная и по истечении времени Г, сут.; ах — коэффициент, учитывающий вид грунта и влияние температуры воздуха; а2 - коэффициент, учитывающий влияние вида грунта и средней скорости ветра. Тогда время, необходимое для просушивания грунта в резерве до допустимой влажности wdon, составляет: По анализу [90] предлагается способ прогнозирования изменения влажности грунтов, который заключается о необходимом условии естественного просушивания грунта в рассматриваемом слое и зависит от наличия отрицательного водного баланса:
Армирование земляного полотна с применением бамбуковых свай
Для ускорения процессов твердения и существенного повышения водостойкости известегрунта применяют комплексные методы укрепления грунтов. Эти осуществляют смешивание извести, легкорастворимых солей, силиката натрия, жидкого стекла, сернокислого натрия.
Основание устраивается из укрепленных грунтов и осуществляется следующими операциями: При применении извести для укрепления грунтов важный процесс обеспечения качества является твердением смеси. Известь медленно взаимодействует с активными компонентами грунта, поэтому необходимо предохранять на них испарение влаги. Для этого после процесса уплотнения грунт покрывается пленкообразующим паронепроницаемым материалом, разливаемого битумной эмульсии расчетом 0,8-1 л/м2.
В настоящей практике применяют с эффективностью метод пневмонабрызга, которым является процессом укладки с помощью сжатого воздуха смесей на поверхности откосов специальными машинами. Этот способ имеет характеристики: самоуплотнение бетонных, цементогрунтовых или композитных смесей под интенсивным действием инерционных сил; совмещение в едином производственном комплексе процессов транспортирования; нанесения и уплотнения при полной механизации всех технологических операций.
Осуществляют нанесение материала на откосы земляного полотна методом набрызга или торкретирования.
Для выполнения метода приготовляют смеси сухим и мокрым способом. При применении такого способа используют цементы или портландцементы с содержанием трехкальпиевого алюмината до 6 %, смешивающие заполнителями: щебнем, гравиям, песком. Принимают крупно- и среднезернистые пески в качестве заполнители, которые имеют влажность до 5 % для сухих смесей. Для ускорения процесса схватывания и твердения смесей могут принять добавки. Добавки позволяют повышать липкость материалов и уменьшать их размываемость. Добавки вводят в виде жидкости, пасты или порошка.
Состав торкрета и шприцбетона отличается от состава исходной смеси в зависимости от их проектирования. Величина отскока снижается с уменьшением доля крупного заполнителя в сухой смеси и повышением расхода цемента.
Требуемаяпрочность насжатие, кгс/см2 Расходцемента на1 м3 смеси,кг Содерпжаниекрупногозаполнителя в смесиотносительно массыцемента Отскок материала от вертикальной поверхности Содержаниецемента в 1 м3набрызгбетона,уложенного наоткос, кг
Принимают способ торкретбетона для нанесения материалов при крупности заполнителя до 8 мм, а при более крупном заполнителе до 20-25 мм -набрызгбетона. Торкретбетон имеет высокое содержание цемента и применяют для создания жестких гидроизоляционных покрытий, декоративных элементов, изготовления тонкостенных покрытий.
Для нанесения торкретирования применяют два способа: сухого и мокрого. При использовании сухого способа неувлажненная смесь вводится в машину и под давлением сжатого воздуха подводится вода для затворения. Этот способ имеет более экономичное и надежное машинное оборудование, возможность транспортирования сухой смеси на большие расстояния, получение материала с более высокими прочностными свойствами, удобную технологию введения в смесь добавок для ускорения схватывания и твердения.
При мокром способе вода для затворения вводится заранее в исходную смесь перед загрузкой ее в машину. Этот способ применяют с целью понижения пылеобразования в процессе нанесения и потери исходной смеси за счет отскакивания набрызгиваемого материала от арматурной сетки.
Для повышения свойства набрызгбетона, уменьшения удельной массы материала и повышения его теплоизоляционных характеристик добавляют в смеси добавки, включают в себя: керамзит, перлит или пенопласт в виде шариков. В такой цели могут армировать набрызгбетон металлическими или синтетическими стержнями или стекловолокном.
В практике для нанесения набрызгбетона применяют камерные, шнековые, роторные машины, которые под действием сжатого воздуха бетонная или песчано-цементная смесь в сухом виде поступает в специальный траспортирующий шланг. Распределение увлажненной смеси под большим давлением позволяет получить плотный материал с повышенными показателями прочности, воздухопроницаемости, сцепления с поверхностью цеменогрунта. Этим способом можно устраивать покрытия толщиной около 40-50 мм и наносить слои как с мелким и с более крупным заполнителем.
Камерные машины нанесения набрызгбетона имеют два типа однокамерные и двухкамерные. При применении шнековых машин для нанесения используют различные небольшие размеры. Машины роторного типа являются наиболее совершенными машинами непрерывного действия.
Способ пневматического набрызга имеет способность саморегулирования водоцементного отношения; удачного объединения процессов транспортировки, укладки и уплотнения смеси на поверхности грунтовых откосов; создания прочной и долговечной облицовки толщиной до 6 см.
При нанесении набрызгбетона на откосы, имеющие слабые размокаемые породы с целью предотвращения оседания и разрушения основания выполняют предварительное уплотнение и смачивание поверхности откосов с 50 % раствором жидкого стекла. Это способ позволяет обеспечение лучшего контакта набрызгбетона со слабой породой, увеличения сцепление и укрепления поверхность откосов. Если приходится бетонировать армированные поверхности, необходимо иметь арматурную сетку с ячейками не менее 100x100 мм при наибольшем диаметре проволоки 6 мм, и она должна отстоять от поверхности не менее чем на 20 мм.
При бетонировании армированных поверхностей применяют арматурную сетку с ячейками не менее 100x100 мм наибольшем диаметром проволоки 6 мм, которая должна отстоять от поверхности на 20 мм.
По опыту показывают влияние скорости вылета материала из сопла; расстояния и угла наклона сопла к укрепляемой поверхности на физико-механические свойстве набрызгбетона. Если расстояние между наклоном сопла и укрепляемой поверхностью слишком мало то на поверхности не может создаваться слоя набрызгбетона. Оптимальное расстояние между соплом и бетонируемой поверхностью соответствует 100-120 см, а давление воздуха на выходе 0,10-0,13 Мпа и скорость вылета материала 50-60 м/с.
После выполнения нанесения в период схватывания и твердения необходимо предохранить набрызгбетон от замораживания, высыхания, различных сотрясений и механических, химических воздействий.
После нанесения (через 10-12 ч) покрытие из набрызгбетона обычно увлажняют распыленной струей воды несколько раз в сутки. Выполняют мероприятие по защите свежеуложенного слоя от сильного дождя, сухого воздуха, ветра и активного солнечного излучения. Для этого используют различные пленки, покрытия из брезента или плотной ткани, смоченные водой. Необходимо обеспечить прочности набрызгбетона в условиях 100 %-ной влажности среды в течение первых 3-7 суток удобными наборами.
При применении метода набрызгбетона для укрепления в течение времени на обработанной поверхности возникают повреждения и дефекты. В зависимости от различных факторов они могут быть образуются в разных видах: трещины, сколов, растрескиваний. Эти дефекты возникают в результате плохой подготовки основания (грязная поверхность, необеспеченный водоотвод), неправильного подбора состава смеси и низкого качества ее компонентов.
