Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одной из основных целей Постановления правительства Российской Федерации от 03.12.2002 г. № 858 (с изменениями от 28.04.2011 г.) «О федеральной целевой программе «Социальное развитие села до 2013 года» является расширение сети автомобильных дорог местного значения с твердым покрытием как главного фактора транспортной доступности для населения. Вместе с тем темпы строительства и реконструкции автомобильных дорог в малоосвоенных сельских районах сдерживает отсутствие достаточных запасов горных пород и, как следствие, высокая стоимость природных каменных материалов (щебня, гравия, песка), используемых при строительстве.
Одним из путей решения указанной проблемы является применение в конструктивных слоях дорожных одежд и рабочем слое земляного полотна автомобильных дорог IV-V категорий местных стабилизированных глинистых грунтов. При взаимодействии грунтового материала со стабилизаторами - многокомпонентными композициями различного состава, содержащими гидрофобизирующие и пластифицирующие добавки, - изменяются значения характеристик водостойкости, морозоустойчивости, плотности и, как результат, прочности и деформируемости глинистых грунтов.
Между тем основным препятствием для широкого применения стабилизаторов глинистых грунтов в регионах страны, обладающих специфичными природно-климатическими условиями, например в Западной Сибири, является нерешенность ряда задач. Так, фактически отсутствуют сведения об особенностях работы дорожных одежд переходного типа при стабилизации глинистых грунтов верхней части (толщиной, принимаемой на основании расчета на прочность и морозоустойчивость) рабочего слоя земляного полотна. Отсутствуют данные о нормативных и расчетных значениях характеристик стабилизированных глинистых грунтов, которые необходимы для расчета дорожных одежд на прочность, изменчивости свойств материала в зависимости от дорожного района. Недостаточно изучены характеристики морозоустойчивости и свободного набухания стабилизированных грунтов, а также зависимости характеристик прочности и деформируемости от влажности данного материала. Требуют уточнения методики расчета и контроля качества дорожных одежд при стабилизации верхней части рабочего слоя земляного полотна.
Решение перечисленных задач, направленных на повышение качества проектирования дорожных одежд при стабилизации глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна, особенно важно и актуально для развития транспортной сети нашей страны, в том числе равнинных районов Новосибирской области, испытывающих дефицит в природных каменных материалах. На территории данных районов расположено 2900 км автомобильных дорог, не имеющих твердого покрытия, что составляет 21 % от общей автотранспортной сети области.
Степень разработанности. Основы применения укрепленных глинистых грунтов в качестве материала в дорожном строительстве заложены в начале 30-х гг. XX в. М.М. Филатовым и В.В. Охотиным. Впоследствии значительный вклад в исследование материалов на основе укрепленных глинистых грунтов внесли В.М. Безрук, А.К. Бируля, Л.Н. Ястребова, С.А. Голованенко, А.С. Еленович, В.М. Кнатько, Н.Я. Хархута, Ю.М. Васильев, Л.В. Гончарова; в том числе с учетом условий Сибири - Г.Н. Левчановский, А.В. Линцер, В.М. Могилевич, О.В. Тюменцева, В.Н. Ефименко, В.В. Сиротюк и др. Анализ работ многих авторов позволяет выделить как одни из перспективных комплексные методы укрепления грунтов, действие которых заключается не только в повышении механических характеристик, но и в повышении уплотняемости, трещиностойкости, водо- и морозостойкости, а также морозоустойчивости. Исследования в данном направлении проводили такие ученые, как В.М. Безрук, Ю.М. Васильев, В.П. Агафонцева, О.В. Тюменцева, Г.Н. Левчановский, А.В. Линцер, А.П. Платонов, Л.Н. Ястребова, V. Ramachandran, V. Malhotra, С. Jolicouer, N. Spiratos и др.
История развития технологии стабилизации началась с попыток гидрофобиза-пии грунтов. Первые исследования по гидрофобизации грунтов выполняли ученые М.М. Филатов, А.К. Бируля, П.А. Ребиндер, Л.Н. Ястребова, Б.В. Толстопятов, А.И. Лысихина, К.А. Князюк, О.В. Тюменцева, D.T. Davidson, J.M. Hoover, F.B. Kardoush, P.L. Nichols, R.L. Handy и др. В конце прошлого века выполнялись исследования применяемых в нашей стране стабилизаторов отечественного и зарубежного производства. Анализ результатов исследований, проведенных ГП «Росдор-НИИ» и СоюздорНИИ (В.М. Юмашев, С.Г. Фурсов, B.C. Исаев, Н.В. Медведев и др.), позволяет сделать вывод, что применение стабилизирующих добавок для глинистых грунтов и смесей грунта с вяжущим (главным образом цементом) является перспективным направлением в области автодорожного строительства. При этом
следует отметить, что все перечисленные исследования были выполнены для грунтовых и климатических условий европейской части России, и не дают комплексных данных для проектирования и строительства дорожных одежд, с применением того или иного типа стабилизатора на региональном уровне, и в том числе в Новосибирской области. Для решения этой проблемы сформулированы цель и задачи настоящей работы.
Объект исследования: стабилизированные глинистые грунты верхней части рабочего слоя земляного полотна на дорогах с переходным типом покрытия.
Предмет исследования: закономерности изменения физико-механических свойств региональных глинистых грунтов при их стабилизации.
Цель работы: повышение качества проектирования дорожных одежд в дорож-но-климатических зонах Новосибирской области путем учета изменения свойств глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна при их стабилизации.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:
-
Выявить особенности работы дорожных одежд переходного типа при стабилизации (добавкой «Perma-Zyme 1IX») глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна в условиях различных дорожных районов Новосибирской области (дорожное районирование принимается по системе «зона-подзона-дорожный район» проф. В.Н. Ефименко, СТП ТУАД 32-03-2000).
-
Экспериментально установить степень изменения параметров (прочности, деформируемости, морозного пучения и др.) преобладающих в природных и климатических условиях различных дорожных районов Новосибирской области глинистых грунтов при их стабилизации (в том числе с применением минерального вяжущего материала), а также получить зависимости прочностных и деформационных свойств исследованных смесей от относительной влажности Жот и суммарного числа приложения расчетной нагрузки ^А^- При этом необходимо рассмотреть преобладающие типы грунтов земляного полотна (супеси, суглинки и глины) для дорожных районов, расположенных в пределах II, III, IV дорожно-климатических зон с характерным I-II типом местности по увлажнению, а также обладающих равнинным и холмистым рельефом.
-
В рамках дорожного районирования грунтов по СТП ТУАД 32-03-2000 составить базу данных значений характеристик прочности и деформируемости глини-
стых грунтов с учетом их стабилизации добавками «Perma-Zyme», «Underbold», «Ni-koflok» и «ANT».
-
Получить зависимость расчетного общего модуля упругости на поверхности стабилизированного слоя грунта от значений модуля упругости грунта земляного полотна ііКзп и стабилизированного грунта ^, определенных в лабораторных условиях (с применением коэффициента кщ, учитывающего метод определения деформационных характеристик), толщины /гет и материала стабилизированного слоя грунта, параметра нагружения d, коэффициента рассеивания напряжения Ор.
-
Разработать алгоритм расчета и методику проектирования дорожных одежд переходного типа с учетом изменения свойств глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна при стабилизации.
Методология и методы исследования. Методологической основой для решения поставленных задач является системный подход к определению параметров стабилизированных грунтов с учетом влияния региональных природно-климатических и эксплуатационных факторов. В работе выполнены теоретические и комплексные экспериментальные исследования, в том числе на участках опытного строительства.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые получены механические параметры (прочность, деформируемость, коэффициент морозного пучения и др.) глинистых грунтов, стабилизированных добавками «Perma-Zyme», «Underbold», «Nikoflok» и «ANT», для условий пяти дорожных районов (IV.P.l, II.X.1, Ш.Р.4, Ш.Р.1 и II.P.1 по системе «зона-подзона-дорожный район») Новосибирской области. Получены корреляционные зависимости прочностных и деформационных свойств исследованных смесей от относительной влажности War и суммарного числа приложения расчетной нагрузки YJ^p-
-
Полученные корреляционные зависимости прочностных свойств стабилизированного материала от циклической нагрузки и относительной влажности показали, что интенсивность снижения свойств стабилизированных грунтов как при многократном воздействии, так и при водонасыщении ниже, чем у нестабилизированных грунтов.
-
Получена формула, позволяющая определять общий модуль упругости на поверхности двухслойной системы «грунт - стабилизированный грунт» і?общ= f (ЕК3и, ЕКсг, her, d, Од), с учетом коэффициента km (отношения между результатами штампо-вых и компрессионных методов определения модуля упругости).
4. Разработаны алгоритм расчета и методика проектирования, повышающие качество проектных решений для строительства и реконструкции дорожных одежд переходного типа со стабилизацией грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна.
Теоретическая и практическая значимость работы. Выполненные исследования позволили усовершенствовать методики расчета и проектирования дорожных одежд переходного типа с учетом изменения свойств глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна при стабилизации.
Определены расчетные значения характеристик прочности и деформируемости стабилизированных различными добавками («Perma-Zyme», «Underbold», «Nikoflok» и «ANT») глинистых грунтов в дорожных районах Новосибирской области. На основании полученных данных составлена региональная база данных. Материалы экспериментальных исследований легли в основу стандарта предприятия СТО ТУАД 09-2010, выполненного по заказу ПСУ НСО «Территориальное управление автомобильных дорог». Основные положения работы, а также методика в целом разработаны и внедрены при проектировании и строительстве (ОАО «Новосибирскавтодор» и ООО «Новосибирскагропромдорстрой») автомобильных дорог в районах Новосибирской области, испытывающих дефицит в традиционных каменных материалах.
Положения, выносимые на защиту:
-
результаты экспериментальных исследований свойств стабилизированных (добавками «Perma-Zyme», «Underbold», «Nikoflok» и «ANT») глинистых грунтов, преобладающих в пяти дорожных районах (IV.P.l, II.X.1, Ш.Р.4, Ш.Р.1 и П.Р.1) Новосибирской области с характерным I-II типом местности по увлажнению;
-
эмпирические зависимости механических свойств стабилизированных указанными добавками глинистых грунтов от относительной влажности Ewp=f (W^), c=f (Тщ), Ц)=/(1щ), и суммарного числа приложения расчетной нагрузки c=f(}Jp), Ф =f(TJ^pX учитывающие природно-климатические условия пяти дорожных районов (IV.P.l, П.Х.1, Ш.Р.4, Ш.Р.1 и П.Р.1) Новосибирской области;
-
формула для определения общего модуля упругости на поверхности двухслойной СИСТеМЫ «ГруНТ - СТабиЛИЗИрОВаННЫЙ ГруНТ» і?общ= f (ЕК3іь *сг, ^сг, d, Од),
учитывающая коэффициент к»,;
4) алгоритм расчета и методика проектирования дорожных одежд переходного типа при стабилизации глинистых грунтов верхней части рабочего слоя земляного полотна.
Степень достоверности и апробация работы. Достоверность и обоснованность результатов работы гарантированы:
- методикой проведения экспериментальных исследований, включающей ла
бораторные испытания стабилизированных грунтов различных дорожных районов
Новосибирской области, а также полевые работы на восьми специально построен
ных опытных участках автомобильных дорог;
применением современных поверенных средств измерения и аттестованных испытательных комплексов геотехнической лаборатории, обеспечивающих требуемую точность и достаточный уровень надежности результатов определения физико-механических свойств стабилизированных грунтов;
достаточным для проведения статистической обработки объемом экспериментальных данных;
- адекватностью результатов работы и данных опытного строительства.
Основные положения диссертационной работы обсуждались на II региональной
научно-практической конференции «Проблемы земляного полотна железных и автомобильных дорог в условиях Сибири» (Новосибирск, СГУПС, 2011 г.); научно-технической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения д-ра геол.-мин. наук, проф. Ф.А. Никитенко (Новосибирск, СГУПС, 2011 г.); Международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь и научно-технический прогресс в дорожной отрасти юга России» (Волгоград, ВолгГАСУ, 2011 г.); Международной практической конференции «Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе» (Пермь, ПНИПУ, 2012 г.); семинаре-совещании по теме: «Технологии устройства земляного полотна, оснований и покрытий автомобильных дорог с применением неорганических и органических стабилизирующих материалов» (совещание вел министр транспорта Новосибирской области СМ. Титов с. Убинское Убинского района Новосибирской области, 16.07.2013 г.); объединенных научных семинарах кафедр ФГБОУ ВПО «СГУПС» (Новосибирск, 2013 г.), кафедр ФГБОУ ВПО «ТГАСУ» (Томск, 2013 г.), кафедр ФГБОУ ВПО «СибАДИ» (Омск, 2013 г.).
Публикации и изобретения. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в восьми печатных работах общим объемом 2,25 п. л. (в том числе авт. 1,32 п. л.), среди них две работы объемом 0,62 п. л. (в том числе авт. 0,41 п. л.) - в ведущих научных рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнау-ки России.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка, содержащего 140 наименований работ. Объем диссертационного исследования - 180 страниц, работа включает 59 рисунков, 30 таблиц.
