На правах рукописи

Афиногенов Алексей Олегович

ОБОСНОВАНИЕ РЕГИОНАЛЬНЫХ НОРМ

СТЕПЕНИ УПЛОТНЕНИЯ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ ЗЕМЛЯНОГО

ПОЛОТНА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

(НА ПРИМЕРЕ РАЙОНОВ ЗАПАДНОЙ СИБИРИ)

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

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск 2011

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Томский государственный архитектурностроительный университет»

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Ефименко Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: – доктор технических наук, профессор Шестаков Владимир Николаевич – кандидат технических наук Лонский Владимир Николаевич

Ведущая организация – ГОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет» (КузГТУ)

Защита состоится «_2_» июня 2011 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д.212.250.01 при Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) по адресу: 644080, г. Омск, пр-т Мира, 5, СибАДИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу диссертационного совета.

Телефон для справок: (3812) 65-01-45; факс: (3812) 65-03-23.

E-mail: [email protected] Автореферат разослан «» 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор Т.В. Боброва

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современный этап развития транспортной системы Российской Федерации характеризуется интенсивным ростом количества автомобилей, особенно легковых. Очевидно, что альтернативы соответствующему увеличению объемов строительства и реконструкции автомобильных дорог нет. При этом прогресс невозможен без опережающего решения проблемы качества и надежности дорог, которые, в свою очередь, в значительной степени определяется стабильностью и прочностью земляного полотна.

Основной параметр, определяющий устойчивость земляного полотна, – степень уплотнения грунта. Действующие нормы коэффициента уплотнения грунта, дифференцированные по дорожно-климатическим зонам, не в полной мере учитывают специфику природно-климатических условий отдельных регионов и требуют уточнения. Свойства глинистых грунтов (массовое использование которых неизбежно при строительстве дорог) и их поведение имеют существенную зависимость от генезиса и географических условий, поэтому уточнение норм их уплотнения предполагает выполнение исследований на региональном уровне.

Повышение качества проектирования автомобильных дорог за счет более обоснованного и полного учета региональных природно-климатических условий особенно важно и актуально в интенсивно осваивающихся, но мало изученных районах страны, таких, например, как Западная Сибирь.

В то же время реализации регионального подхода при обосновании норм плотности грунта препятствует нерешенность ряда задач исследовательского характера. Так, фактически отсутствует методика регионального нормирования, учитывающая неоднородность строительных свойств грунтов. Недостаточно изучены зависимости характеристик деформируемости, морозного пучения от влажности и плотности для грунтов конкретных регионов. Изменчивость свойств грунтов в пределах дорожно-климатических районов представлена исследованиями, которые требуют дальнейшего развития.

Использование обоснованных норм плотности грунтов земляного полотна будет способствовать решению проблемы обеспечения требуемых значений характеристик потребительских свойств автомобильных дорог в процессе их эксплуатации, увеличению межремонтных сроков. Работа развивает положения, сформулированные ранее проф. И.А. Золотарем, Н.А. Пузаковым, В.М. Сиденко, А.Я. Тулаевым и их учениками.

Актуальность диссертационной работы также подтверждается выполнением е разделов в рамках госбюджетной темы № 1.2.07 «Совершенствование теории сжатых, сжатоизогнутых железобетонных конструкций, форм и колебаний, уточнение математической модели грунтов основания» по заданию Федерального агентства по образованию (мероприятие № 1 аналитической ведомственной целевой программы развития научного потенциала высшей школы на 2009–2010 гг.).

Объект исследования – земляное полотно автомобильных дорог из глинистых грунтов.

Предмет исследования – закономерности изменения деформативных и пучинистых свойств глинистых грунтов, определяющих качество и надежность земляного полотна, в зависимости от степени их уплотнения и влажности, характера разуплотнения в процессе эксплуатации дорог, для обоснования нормативных требований к степени уплотнения грунтов земляного полотна в условиях Западной Сибири.

Методы исследований – теоретические и экспериментальные, включающие математическое моделирование.

Цель исследования – обеспечение качества проектирования и строительства транспортных сооружений в условиях однородных по территориальному распространению геокомплексов дорожных районов за счет применения региональных норм степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна, более полно учитывающих природные и климатические условия, использующих обоснованные значения характеристик грунтов.

В качестве основной научной гипотезы при проведении исследований принято следующее положение: рациональные нормы степени уплотнения грунтов могут быть получены на основе математического моделирования процесса изменения влажности – плотности грунта на этапе эксплуатации дороги, базирующегося на применении параметров, характеризующих геокомплексы конкретных территорий.

Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы следующие задачи:

1. Разработать методику регионального нормирования плотности грунтов рабочего слоя земляного полотна автомобильных дорог и алгоритм математического моделирования для прогнозирования плотности грунта, которая устанавливается в процессе эксплуатации дороги в условиях II – III дорожноклиматических зон Западной Сибири.

2. Установить фактические значения, закономерности изменения характеристик строительных свойств грунтов и степени их уплотнения в земляном полотне строящихся автомобильных дорог региона исследований, обосновать типичные значения основных характеристик грунтов.

3. Установить закономерности изменения модуля упругости и степени морозной пучинистости типичных для региона исследования грунтов в зависимости от степени их уплотнения и влажности, получить соответствующие математические модели.

4. Обосновать нормативные значения степени уплотнения глинистых грунтов в земляном полотне автомобильных дорог для условий региона исследований (III и II дорожно-климатические зоны Западной Сибири).

Научная новизна работы заключается в установлении связей и закономерностей, характеризующих свойства глинистых грунтов, их поведение в процессе эксплуатации автомобильных дорог, обеспечивающих качество проектирования транспортных сооружений и, соответственно, экономичность их эксплуатации, с учетом региональных геокомплексов. При этом:

1. Разработана методическая схема проведения исследований по региональному нормированию степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна. Уточнен алгоритм прогнозирования изменения в процессе эксплуатации дороги плотности глинистого грунта земляного полотна с учетом региональных условий Западной Сибири.

2. Установлены фактические значения и закономерности изменения характеристик строительных свойств глинистых грунтов и степени их уплотнения в земляном полотне строящихся автомобильных дорог региона исследований, обоснованы типичные значения основных характеристик грунтов.

3. Установлены закономерности изменения модуля упругости и степени морозной пучинистости типичных для региона исследования глинистых грунтов в зависимости от степени их уплотнения и влажности, получены математические модели, характеризующие установленные зависимости.

4. Обоснованы нормативные значения степени уплотнения глинистых грунтов в земляном полотне автомобильных дорог для условий региона исследований.

Практическая значимость и реализация работы 1. Практическая значимость состоит:

- в уточнении методики прогнозирования значений степени уплотнения грунтов земляного полотна с учетом перспективы эксплуатации дорог в природно-климатических условиях Западной Сибири;

- уточнении усредненных (типичных) фактических значений основных характеристик техногенных глинистых грунтов для природно-климатических условий Западной Сибири;

- получении зависимостей модуля упругости и степени морозной пучинистости глинистых грунтов от степени их уплотнения и влажности с учетом региональных природно-климатических условий;

- региональном нормировании степени уплотнения глинистых грунтов в насыпях автомобильных дорог для дорожно-климатических районов, выделенных на территории Кемеровской области.

2. Результаты исследований внедрены:

- в СТО 47-2011 «Региональные нормы плотности глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог»;

- при проектировании автомобильной дороги I категории «Новосибирск – Ленинск-Кузнецкий – Кемерово – Юрга» на участке км 295 – км 323,5, автомобильной дороги III категории Чугунаш - Спортивно-туристический комплекс «Шерегеш» на территории Кемеровской области;

- в ГУ КО «Дирекция автомобильных дорог Кузбасса» и дорожных организациях Кемеровской области (ГП КО «Автодор», ООО «ДСУ № 1») при строительстве автомобильных дорог: нормы плотности и усредненные значения характеристик грунтов (СТО 47-2011), региональные зависимости характеристик деформируемости и степени морозной пучинистости грунтов (Методические рекомендации по применению золошлаковых материалов Новокемеровской ТЭЦ в дорожном хозяйстве Кемеровской области; Методические рекомендации по применению золошлаковых материалов Томь-Усинской ГРЭС в дорожном хозяйстве Кемеровской области; Методические рекомендации по контролю качества устройства несвязных слоев дорожных одежд с помощью установок динамического нагружения; Методические рекомендации по обеспечению и контролю качества уплотнения земляного полотна; Методические р екомендации по обеспечению качества земляного полотна автомобильных дорог на основе региональных норм плотности);

- при чтении лекций и в дипломном проектировании студентов специальности 270205 «Автомобильные дороги» в Томском государственном архитектурно-строительном и Кузбасском государственном техническом университетах. Включены в учебные пособия «Нормирование и контроль плотности грунтов земляного полотна» (КузГТУ, 2008), «Конструирование и расчет дорожных одежд» (Кузбассвузиздат, 2008), применяемые при подготовке специалистов-дорожников в вузах Западно-Сибирского региона.

На защиту вынесены:

- методика регионального нормирования степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог;

- методика прогнозирования изменения плотности – влажности грунтов земляного полотна автомобильных дорог в условиях районов Западной Сибири;

- результаты полевых и лабораторных исследований свойств глинистых грунтов для дорожно-климатических районов III.Р.3, III.Х.4, II.Х.1 и II.Г.2;

- усредненные (типовые) характеристики грунтов для региона исследований и аналитические зависимости Е = f (W, Купл), Кпуч = f (W, Купл), характеризующие региональные свойства грунтов для прогнозирования водно-теплового режима дорожных конструкций и расчета дорожных одежд;

- региональные нормы степени уплотнения глинистых грунтов в земляном полотне автомобильных дорог для условий II – III дорожно-климатических зон Западной Сибири.

Достоверность основных положений, выводов и рекомендаций гарантирована необходимым объмом фактических (экспериментальных) данных, применением современных методов расчтов, поверенных средств измерений, аттестованного испытательного оборудования и утвержденных в установленном порядке методик испытаний и методов измерений, обеспечивающих достаточный уровень наджности результатов математического моделирования и измерений физических величин. Основополагающие направления исследований базируются на знаниях, ранее полученных отечественными и зарубежными учеными и их школами.

Апробация работы: основные положения и выводы диссертационной работы докладывались и получили одобрение на следующих конференциях и семинарах: Юбилейной научной конф., посвященной 120-летию со дня рождения проф. М. И. Кучина «Кучинские чтения» (Томск, 2007); I Всероссийской, 54-й научно-практ. конференции «Россия молодая» (Кемерово, 2009); I Международной научно-практ. конференции «Проблемы строительного производства и управления недвижимостью» (Кемерово, 2010); II Всероссийской, 55-й научнопрактической конференции «Россия молодая» (Кемерово, 2010); 2-й Региональной научно-практической конференции «Проблемы земляного полотна железных и автомобильных дорог в условиях Сибири» (Новосибирск, 2010); Всероссийской научной конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения» (Новокузнецк, 2010); V Всероссийской научно-практической конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования» (Омск, 2010); VI международной научнопрактической интернет-конф. «Состояние и перспективы развития дорожностроительного комплекса» (Брянск, 2010); XIII международной научнопрактической конф. «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири» (Кемерово, 2010); научных межкафедральных семинарах Томского государственного архитектурно-строительного университета (Томск, 2008–2011).

Личный вклад автора состоит:

- в разработке методики обоснования норм степени уплотнения глинистых грунтов с учетом региональных особенностей;

- получении модели прогнозирования изменения плотности – влажности глинистых грунтов земляного полотна для условий Западно-Сибирского региона;

- проведении и анализе результатов полевых и лабораторных испытаний свойств техногенных глинистых грунтов, используемых для сооружения земляного полотна в регионе исследований;

- установлении аналитических зависимостей Е = f (W, Купл), Кпуч = f (W, Купл) для прогнозирования изменения плотности – влажности грунта и проектирования дорожных одежд в условиях дорожно-климатических районов III.Р.3, III.Х.4, II.Х.1 и II.Г.2;

- получении научно обоснованных данных для разработки региональных нормативных документов.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы отражены в 19 публикациях, в том числе в 13 статьях, опубликованных в журналах и сборниках трудов (из них 4 в журналах, включенных в перечень ВАК РФ), 6 тезисах докладов на всероссийских и международных конференциях.

Объм работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов по работе и рекомендаций, библиографического списка, включающего 284 наименования. Объм работы - 200 страниц, в том числе 25 таблиц, 49 рисунков и 3 приложения.

Автор выражает глубокую благодарность сотрудникам Кузбасского центра дорожных исследований (в первую очередь канд. техн. наук, доц. А.И. Красильникову и канд. техн. наук Г.В. Савкину) за содействие в выполнении экспериментальных исследований и предоставление результатов строительного контроля на объектах Кемеровской области.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель исследования, научная новизна и практическая ценность работы.

Первая глава посвящена анализу состояния вопроса. В работах О.Т. Батракова, Ю.М. Васильева, Э.М. Доброва, В.Д. Казарновского, В.И. Рувинского, Л.И. Самойловой, В.А. Семенова, Э.Ф. Семехина, В.М. Сиденко, М.Я. Телегина, А.Я. Тулаева, Н.Я. Хархуты, В.Н. Шестакова, А.И. Ярмолинского, В.А. Ярмолинского и других показано, что плотность глинистых грунтов оказывает значительное влияние на их свойства, состояние земляного полотна и дорожной одежды. В период эксплуатации дороги плотность глинистого грунта земляного полотна подвержена закономерным изменениям, возможно разуплотнение. Для обеспечения требуемых потребительских качеств автомобильных дорог нео бходимо уплотнение грунтов до плотности, обеспечивающей стабильность земляного полотна в процессе эксплуатации (е принято называть «бытовой»

плотностью). В условиях районов с глубоким промерзанием дорожной конструкции существенное влияние на процессы изменения плотности – влажности грунтов земляного полотна оказывает степень их морозной пучинистости. Поведение грунтов в земляном полотне в значительной степени определяется пр иродно-климатическими особенностями района расположения дороги.

В результате анализа работ В.Н. Ефименко, С.В. Ефименко, В.И. Осипова, Е.М. Сергеева, В.Н. Соколова, В.Т. Трофимова и других, посвященных вопросам регионального грунтоведения, сделан вывод, что глинистые грунты на территории Западной Сибири имеют ярко выраженные особенности генезиса, состава и свойств. Фактические значения их характеристик существенно отличаются от величин, установленных действующими нормативными документами. Целесообразно применение значений характеристик грунтов, полученных экспериментально (для конкретных территорий). Зависимости значений показателей глинистых грунтов Западно-Сибирского региона от степени их уплотнения, необходимые для нормирования коэффициента уплотнения, отсутствуют, а использование зависимостей, полученных для других регионов, не обеспечит требуемой надежности результатов.

В результате ретроспективного обзора работ В.Д. Казарновского, М.Б. Корсунского, В.И. Рувинского, Л.И. Самойловой, В.А. Семенова. М.Я. Телегина, А.Я. Тулаева и других сделан вывод, что действующие нормы степени уплотнения грунтов земляного полотна, разработанные более 50 лет назад, составлены для обширных территорий, при этом они не учитывают ряд важных пар аметров: вид грунта, схему увлажнения дорожной конструкции и е требуемую надежность и др. Необходима большая дифференциация норм плотности с учетом региональных особенностей климата, свойств грунтов и других условий.

Нормы (СНиП 2.05.02-85*) регламентируют минимальные значения и рекомендуют применять повышенное уплотнение при определенных условиях. Для конкретного региона требуются специальные обоснования. При этом следует учитывать типичные характеристики грунтов региона (например, пределы влажности грунта), возможность получить наиболее стабильную к внешним (погодноклиматическим) воздействиям структуру грунта в процессе эксплуатации дороги.

Несмотря на то, что необходимость регионального подхода к нормированию требований к плотности грунтов, назначению их характеристик признается дорожным сообществом, методология регионального подхода к решению данной задачи не разработана, отсутствуют и отвечающие требованиям практики методики нормирования. Для условий Западной Сибири, грунтовые и природно-климатические условия которой имеют ярко выраженные региональные особенности, специальные нормы плотности грунтов земляного полотна автомобильных дорог отсутствуют.

На основании сведений литературного обзора сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена вопросам методологии исследований и регионального нормирования степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог, теоретическому обоснованию выбора методики прогнозирования изменений плотности глинистых грунтов в процессе эксплуатации дороги. Функциональная схема исследований, реализованная в ходе выполнения работы, приведена на рис. 1.

Разработать методологию регионального нормирования плотности глинистых Анализ современных мето- Методика обосногрунтов земляного полотна дов прогнозирования водно- вания норм плотавтомобильных дорог и теплового режима земляного ности грунта для алгоритм математического полотна и «бытовой» плот- отдельных региомоделирования для уста- ности грунта нов новления ожидаемой (бытовой) плотности грунта рожных объектах стандартипени их уплотнения в назначения показатезованными методами.

сыпях строящихся автомолей грунтов по доСтатистический анализ ребильных дорог для террирожно-климатизультатов экспериментов по тории исследований, обосческим районам новать типичные значения параметров грунтов Установить закономерно- Лабораторные исследования сти изменения модуля уп- грунтов с типичными (средругости и степени мороз- нестатистическими) значе- Региональные ной пучинистости типич- ниями показателей для раз- зависимости ных для региона исследо- личных дорожно-климати- Е = f(W, Kу ), вания грунтов в зависимо- ческих районов с использова- hпуч = f(W, Kу ) сти от степени их уплотне- нием теории планирования Обосновать нормативные Математическое моделирозначения степени уплотне- вание с использованием по- Региональные ния глинистых грунтов зем- лученных экспериментально нормы степени упляного полотна автомобиль- параметров грунтов для от- лотнения грунтов ных дорог для условий тер- дельных дорожно- земляного полотна ритории исследований (III и климатических районов, автомобильных II дорожно-климатические оценка экономической дорог зоны Западной Сибири) эффективности Инфраструктура сети дорог на территории Западной Сибири развита недостаточно хорошо, возможность выполнить региональное нормирование степени уплотнения грунтов земляного полотна на основе экспериментальных данных отсутствует, поэтому использовано математическое моделирование соответствующих процессов. Для этого нами разработан алгоритм прогноза расчетных значений плотности глинистых грунтов, его проверка осуществлена на примере территории Кемеровской области.

При прогнозировании плотности грунта, устанавливающейся в процессе эксплуатации дороги, за основу принята методика СоюздорНИИ (В.И. Рувинский, В.Д. Казарновский, Ю.М. Васильев и др.), которая детально рассмотрена в работе. Для учета особенностей водно-теплового режима районов Западной Сибири в не на основании исследований В.Н. Ефименко, В.Н. Шестакова, С.В. Ефименко внесены необходимые изменения.

Для определения значений расчетной влажности грунта земляного полотна принят метод проф. И.А. Золотаря, прошедший достаточную апробацию на территории Западной Сибири и рекомендованный ОДН 218-046-01.

При этом учтено уточнение математической модели влагонакопления в рабочем слое земляного полотна, предложенное доц. С.В. Ефименко. Для определения весенней влажности грунта рабочего слоя земляного полотна при 2–3-м типах местности по характеру увлажнения применили зависимость глубины промерзания от суммы отрицательных температур воздуха в зимний период, полученную для характерных конструкций дорожных одежд и природно-климатических условий юго-востока Западной Сибири ТГАСУ.

Для прогнозирования расчетной влажности грунтов рабочего слоя в условиях 1-го типа местности по увлажнению принята методика, разработанная для юго-восточной части Западной Сибири В.Н. Ефименко, позволяющая учитывать температурно-влажностный режим отдельных районов региона исследований.

Предлагаемые изменения не затрагивают алгоритма методики СоюздорНИИ (т.е. исключено искажение результатов из-за нарушения целостности методики). Однако уточнения, перечисленные выше, дали возможность существенно повысить точность результатов расчетов и учесть р егиональные условия.

В работе представлена математическая модель, позволяющая установить ожидаемую степень уплотнения грунта в зависимости от региональных условий и конструкции дорожной одежды, сформулированы основные положения, которые должны быть положены в основу методики исследований и регионального коэффициента степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог. Выполнен анализ комплекса факторов, необходимых для математического моделирования процессов уплотнения – разуплотнения грунтов в процессе эксплуатации дороги. Сформированы требования к формированию банка исходных данных в математических моделях для моделирования в условиях территорий, однородных по комплексу признаков климата и природы (дорожно-климатических районов).

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям свойств глинистых грунтов региона. В ней рассмотрены методы проведения исследований, их метрологическое обеспечение, отражен анализ полевых и лабораторных экспериментов.

Проверка разработанных в гл. 2 теоретических положений осуществлена на примере территории Кемеровской области, отличающейся большим разнообразием природных условий, что весьма удобно для р ешаемых в диссертационной работе задач. Так, значительную часть области занимают избыточно увлажненные горно-таежные районы Кузнецкого Алатау и Горной Шории, по комплексу природных условий соответствующие II дорожно-климатической зоне. Лесостепные районы западнее линии Тайга – Кемерово – Осинники относятся к III дорожноклиматической зоне. Это позволяет распространить полученные результаты на достаточно большую часть территории Западной Сибири, поскольку на ней обеспечиваются идентичность климата, состава и свойств глинистых грунтов. Использование в качестве объекта исследований Кузбасса также удобно в том отношении, что в период исследований здесь велось интенсивное дорожное строительство.

Для статистического анализа нами привлечены результаты испытаний последних лет, выполненные Кузбасским центром дорожных исследований в процессе независимого контроля качества работ по строительству дорог, а также результаты полевых и лабораторных работ автора в 2007–2010 гг. на крупнейших дорожных объектах региона (автомобильные дороги I категории ул. Терешковой – город-спутник Лесная поляна, Новосибирск – ЛенинскКузнецкий – Кемерово – Юрга, км 295–329, автомобильные дороги III категории Горно-Алтайск – Турочак – Таштагол, Чугунаш – спортивнотуристический комплекс «Шерегеш») и др.

Методика исследований фактических значений характеристик грунтов состояла в следующем. На объектах строительства отбирали пробы грунта (наиболее достоверным методом «режущего кольца») из полностью уплотненных слоев верней части земляного полотна. На одном объекте одновременно отбирали пробы на участках всех подрядчиков.

Отбор, транспортирование, хранение и испытание проб грунта производили в соответствии с действующими нормативными документами (ГОСТ 5180-84, ГОСТ 12071-2000, ГОСТ 22733-2002, ГОСТ 25100-95, ГОСТ 30416и др.), т.е. применяли стандартизованные методы испытаний. Также использовали только поверенные средства измерений, аттестованное испытательное оборудование и вспомогательное оборудование, прошедшее процедуру оценки пригодности. Всего было рассмотрено около 700 проб глинистых грунтов. Статистическую обработку результатов испытаний производили с использованием лицензированных средств Microsoft Excel, при этом рассматривали наиболее распространенные законы статистического распределения (нормальное, Пуассона, Коши, логнормальное, Вейбулла, Стьюдента и др.). Установлено, что плотность распределения параметров грунтов вполне удовлетворительно подчиняется нормальному закону.

В результате статистического анализа данных для отдельных климатических районов были определены значения математического ожидания следующих величин: максимальная плотность, оптимальная и фактическая влажности, коэффициент уплотнения. Рассмотрены также корреляционные зависимости между ними. Установлено, что по дорожно-климатическим районам значения характеристик могут существенно различаться. Например, значения математического ожидания максимальной плотности изменяются от 1,67 до 1,84 г/см3, фактической влажности – от 18,80 до 23,28 %, что связано с особенностями грунтов отдельных дорожно-климатических районов.

В результате обработки статистических данных получен ряд завис имостей, характеризующих региональные свойства глинистых грунтов. Так, например, связь между оптимальной и фактической влажностью грунтов имеет следующий вид (при R2 = 0,381):

Зависимость коэффициента Селянинова Кс и коэффициента увлажненности Кувл достаточно тесная. Аналитически она может быть выражена формулой (при R2 = 0,949):

Испытания проб глинистых грунтов из насыпей строящихся автомобильных дорог позволили установить ранее неизвестные усредненные (типичные) значения характеристик, необходимых для дальнейших исследований в рамках данной работы (сделать выбор грунтов с конкретными значениями показателей для экспериментальных исследований их деформируемости и морозной пучинистости): оптимальной и фактической влажности, максимальной плотности, коэффициента уплотнения. Обосновано, что лабораторные исследования могут быть выполнены на суглинках, имеющих значения строительных характеристик, близкие к усредненным по дорожноклиматическим районам. Использование для всех дорожных районов значений характеристик грунтов, усредненных по территории области, может привести к существенным ошибкам.

Установлено, что грунтам с повышенной фактической (естественной) влажностью соответствуют более высокие значения оптимальной влажности (формула 1) и меньшие значения коэффициента уплотнения (формула 3, при R = 0,983):

Показано, что по отдельным дорожно-климатическим районам от до 42 % значений коэффициента уплотнения грунта в земляном полотне строящихся дорог не менее 1,0, 8–27 % - не менее 1,02 и 6–22 % - не менее 1,03. Зафиксированы значения коэффициента уплотнения до 1,1. Это подтверждает, что имеются предпосылки для введения повышенных норм степени уплотнения глинистого грунта (до Ку = 1,02–1,03).

Определение статического модуля упругости типичных суглинистых грунтов территории исследований выполнено по методике, регламентированной ВСН 46-83, в которую (для повышения точности результатов) внесены некоторые изменения. Во-первых, с целью прямого контроля нагрузки на образец грунта и исключения влияния потерь от трения в прессе использовались поверенные образцовые динамометры ДОСМ-3-0,05, ДОСМ-3-0,2, обеспечивающие повышенную точность измерений и регулирования нагрузки. Во-вторых, применили стальной штамп со специальной площадкой для установки индикаторов, в фиксированных местах которой (под углом 120 О) были сделаны углубления для исключения смещения ножки индикатора и уменьшения влияния перекоса штампа. Диаметр штампа – 40 мм, внутренний диаметр формы – 172 мм, высота образца грунта – 160 мм, что соответствует требованиям нормированной методики испытаний. Испытания проводили с применением теории планирования эксперимента (с соответствующей оценкой воспроизводимости эксперимента и адекватности моделей).

Выполненные лабораторные исследования влияния плотности и влажности грунтов на величину их модуля упругости позволили получить ранее отсутствующие математические модели для типичных грунтов всех дорожно-климатических районов Кемеровской области (табл. 1).

Зависимости статического модуля упругости глинистого грунта Примечание. Еу – статический модуль упругости грунта, МПа; W – влажность грунта при уплотнении, %; Ку – коэффициент уплотнения глинистого грунта.

Установлено, что в диапазоне реального варьирования плотности и влажности степень уплотнения грунта оказывает существенное влияние на величину модуля упругости. Так, при фиксированной влажности с увеличением коэффициента уплотнения грунта с 0,95 до 1,05 модуль упругости возрастает почти в 2 раза.

Сопоставление результатов лабораторных экспериментов и полевых измерений, выполненных с применением установки динамического нагружения ПДУ-МГ4 «Удар» (внесен в Госреестр СИ), позволило установить, что соотношение значений динамического и статического модулей упругости грунта находится в пределах 1,3 – 1,43, что соответствует значениям, рекомендованным ранее проф. Ю.М. Яковлевым.

Оценка степени морозной пучинистости грунтов территории исследований осуществлена при помощи лабораторных экспериментов на основе нормированной и хорошо апробированной в дорожном хозяйстве методики Ю.М. Васильева. Кроме того, условия испытаний по этой методике наиболее близки к условиям, вызывающим зимнее пучение глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог на территории Западной Сибири. Отбор проб грунтов выполнен из верхних слоев земляного полотна строящихся автомобильных дорог с соблюдением требований ГОСТ 28622-90.

В результате лабораторных экспериментов получены новые математические модели, характеризующие зависимость относительного морозного пучения типичных для дорожно-климатических районов Кемеровской области глинистых грунтов от их влажности и плотности (табл. 2).

Зависимости степени морозной пучинистости глинистых грунтов (Кпуч) на территории исследований от начальной влажности (Wн ) Дорожноклиматический Зависимости Кпуч = f(Wн, Ку) Полученные зависимости использованы при прогнозировании процессов уплотнения–разуплотнения грунта в предложенной нами модели.

Эксперимент показал, что влияние степени уплотнения грунта и его начальной влажности (влажности при уплотнении) на пучинистость глинистых грунтов имеет весьма сложный характер. Установлено существенное влияние степени уплотнения грунта на его пучинистость. Например, для дорожно-климатического района III.Х.4 при увеличении коэффициента уплотнения с 0,95 до 1,02 относительное морозное пучение грунта уменьшается почти в 2 раза. Приведенные в табл. 2 формулы позволили получить достоверные данные для вычисления «бытовой» плотности грунта.

В четвертой главе рассмотрена рекомендуемая практическая методика обоснования региональных норм степени уплотнения глинистых грунтов, приведены результаты математического моделирования по прогнозированию изменения степени уплотнения грунта в процессе эксплуатации дороги для рассматриваемых районов Западной Сибири, получены требуемые значения степени уплотнения земляного полотна для проектирования автомобильных дорог, выполнена экономическая оценка эффективности рекомендаций, представленных в диссертации, даны практические рекомендации по региональному нормированию степени уплотнения грунта. Действующее нормирование дополнено учетом ряда факторов, таких как: дорожно-климатический район, вид и свойства типичных для него грунтов, расчетная схема увлажнения дорожной конструкции, проектный коэффициент надежности.

Установлено, что в условиях территории исследований во время эксплуатации автомобильной дороги практически во всех случаях происходит разуплотнение глинистого грунта. Величина уменьшения коэффициента уплотнения при этом обратно пропорциональна его значению, достигнутому при строительстве (рис. 2). Существенное влияние на величину «бытовой»

плотности оказывает характер увлажнения дорожной конструкции (расчетная схема увлажнения).

Рис. 2. Изменение величины коэффициента уплотнения глинистого грунта в зависимости от коэффициента уплотнения, достигнутого при строительстве, Ку(стр) Алгоритм определения требуемой степени уплотнения грунта приведен на рис. 3. Исходя из положений, регламентированных в работе, требуемый (нормативный) коэффициент уплотнения следует назначать по формуле Ку(норм) = Ку(стр.тр)(1 – tСv)/(1+ tСv(ст)), (4) где Ку(стр.тр) – коэффициент уплотнения грунта, который требуется достигать при строительстве земляного полотна; Сv – коэффициент вариации плотности скелета грунта в земляном полотне; Сv(ст) – коэффициент вариации плотности скелета грунта, полученной на приборе стандартного уплотнения; t – коэффициент нормированного отклонения.

С достаточной для практических целей точностью принять Сv(ст) = 0,001, Сv = 0,015. Коэффициент нормированного отклонения t назначают по ОДН 218.046-01 в зависимости от заданной надежности (т.е. он учитывает категорию дороги, капитальность дорожной одежды).

Определение расчетного значения коэффициента уплотнения Учет неоднородно- Обоснование рациональных знаУчет про- сти свойств грунта, чений требуемого коэффициента процессов уплотфициента нения, контроля уплотнения Рис. 3. Схема к определению требуемых значений коэффициента уплотнения грунта при сооружении земляного полотна Значения требуемых коэффициентов уплотнения следует принимать по предлагаемым таблицам, раздельно для капитального и облегченного типов дорожных одежд (табл. 3) и переходного. При этом расчетная схема увлажнения 1 – I тип увлажнения по СНиП 2.05.02-85* и II, III типы в насыпях высотой более 1,5 м; 2 – II тип увлажнения в насыпях высотой менее 1,5 м и выемках; 3 – III тип увлажнения в насыпях высотой менее 1,5 м и в выемках.

Рекомендуемые значения требуемых коэффициентов уплотнения при капитальном и облегченном типах дорожных одежд Расчетная Значения требуемого коэффициента уплотнения при схема проектном коэффициенте надежности Кн, равном При коэффициенте надежности К н = 0,7–0,8 критическим дефектом (при выполнении производственного контроля в соответствии с требованиями СНиП 12-01-2004) считают возможным отклонение от требуемого значения до 0,01; при Кн = 0,85–0,9 до 0,02; при Кн = 0,95–0,98 до 0,03.

При наличии критического дефекта приемка работ по уплотнению грунта земляного полотна не производится.

Значения требуемого коэффициента уплотнения в табл. 2 получены следующим образом (см. рис. 3). Устанавливают значения строительного коэффициента уплотнения Ку(стр), при котором наблюдается Ку(расч) = 0,98 или 0,95 (наименьший коэффициент уплотнения грунта рабочего слоя по СНиП 2.05.02-85*, соответственно для дорожных одежд капитального и облегченного типов, переходного типа). По формуле (5) вычисляют возможное отклонение значения коэффициента за счет неоднородности процесса уплотнения, свойств грунта, ошибок при определении максимальной плотности скелета грунта и др., которое и принимают в качестве нормативного.

Для условий 3-й расчетной схемы увлажнения учитывают ограничение по естественной влажности грунта (высокие коэффициенты уплотнения в ряде случаев достичь невозможно, разуплотнение происходит при любом строительном коэффициенте уплотнения).

Следует принять к сведению, что кроме обеспечения требуемой плотности грунта в процессе строительства необходимо сохранить ее на этапе эксплуатации дороги. Специальные исследования подтверждают возможность решения данной задачи в большинстве случаев (в т.ч. и для участков 3-го типа местности по характеру увлажнения). Если обеспечить сохранение приемлемой влажности грунтов невозможно (экономически нецелесообразно) либо распространены переувлажненные грунты, следует руководствоваться нормами СНиП 2.05.02-85*.

Предлагаемые нормы могут быть использованы не только на территории Кемеровской области, но и в дорожно-климатических районах III.Х.4, III.Р.3, II.Г.2, II.Х.1 (по классификации ТГАСУ) других территориальных образований Западной Сибири. Рекомендуемые значения коэффициента уплотнения грунта в целом выше на 0,02–0,03, чем регламентировано СНиП 2.05.02-85*, и гарантируют его величину в процессе эксплуатации дороги не ниже необходимой для обеспечения требуемого кач ества дорожных покрытий.

В результате исследований подтверждена высокая экономическая эффективность использований региональных норм плотности грунта земляного полотна (повышенного его уплотнения).

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана и реализована методика регионального нормирования плотности глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог, которая, в отличие от ранее разработанного подхода к назначению требований к степени уплотнения грунтов, основана на научно обоснованном моделировании процессов водно-теплового режима дорожной конструкции, более полно учитывает региональные природно-климатические условия, свойства и поведение грунтов в процессе эксплуатации дороги и позволяет обеспечить требуемую надежность и эффективность транспортных сооружений в условиях дорожно-климатических районов юго-востока Западной Сибири (II и III дорожно-климатические зоны). Предложенная методика может быть использована для других регионов (при условии выполнения необходимых исследований). Показано, что рациональные нормы степени уплотнения грунтов могут быть получены на основе математического моделирования процесса изменения влажности – плотности грунта на этапе эксплуатации дороги, базирующегося на применении параметров, характеризующих геокомплексы конкретных территорий, т. е. подтверждена основная научная гипотеза работы.

2. На основе отбора проб грунтов, сформировавшихся под воздействием процессов сооружения земляного полотна автомобильных дорог, их испытаний установлены ранее неизвестные: вид типичного грунта, значения математического ожидания его основных строительных характеристик (максимальная плотность, фактическая и оптимальная влажность, коэффициент уплотнения), закономерности изменения этих характеристик по дорожно-климатическим районам региона исследований. Доказано, что значения показателей грунтов существенно различаются для разных дорожноклиматических районов (по районированию ТГАСУ), осреднение их в пределах не только дорожно-климатических зон, но и субъектов РФ (областей, краев) приводит к значительным ошибкам. Например, оптимальная влажность глинистых грунтов по дорожно-климатическим районам Кемеровской области изменяется от 15,45 до 22,70 %.

Обоснована техническая возможность повышения степени уплотнения грунтов с использованием имеющихся технических средств и традиционных технологий. Например, на территории дорожно-климатического района III.Х.4 42 % результатов определения коэффициента уплотнения грунта имели значение более 1,0, 27 % – более 1,02. Статистически обоснованы расчетные (типичные) значения основных характеристик глинистых грунтов земляного полотна для дорожно-климатических районов региона исследований, показана необходимость совершенствования технологии работ и системы обеспечения их качества. Так, коэффициент вариации коэффициента уплотнения грунта может достигать значения 0,057, что указывает на недопустимую неоднородность уплотнения.

3. Экспериментально установлены ранее неизвестные закономерности изменения показателей типичных для дорожно-климатических районов региона исследования грунтов в зависимости от степени их уплотнения и влажности, получены соответствующие математические модели. При этом выявлены следующие новые зависимости:

- величин модуля упругости глинистых грунтов от их влажности и плотности;

- между величиной относительного пучения глинистых грунтов и их влажностью и плотностью.

Показано, что в условиях территории исследований степень уплотнения оказывает существенное влияние на величину модуля упругости и пучинистость глинистого грунта. Так, при фиксированной влажности с увеличением коэффициента уплотнения грунта с 0,95 до 1,05 модуль у пругости возрастает почти в 2 раза, коэффициент пучения уменьшается в 1,5–2 раза. Соответствующие зависимости носят региональный характер, например, значения модуля упругости могут отличаться на 20–25 % от рекомендованных ОДН 218.046-01, и существенно различаются по отдельным дорожно-климатическим районам территории исследований.

4. Обоснованы дифференцированные нормативные значения степени уплотнения глинистых грунтов в насыпях автомобильных дорог для условий региона исследований (дорожно-климатические районы III.Х.4, III.Р.3, II.Г.2, II.Х.1 по классификации ТГАСУ), которые можно распространить на территории II и III дорожно-климатических зон Западной Сибири. При этом учтена неоднородность показателей степени уплотнения грунта.

Показана техническая и экономическая эффективность повышения степени уплотнения грунтов. Экономический эффект от внедрения рекомендуемых значений требуемого коэффициента уплотнения грунта рабочего слоя за счет повышения прочности и стабильности земляного поло тна и снижения капитальных затрат составляет от 67,1 до 207,0 тыс. руб.

на 1 км дороги, общественный эффект в результате снижения транспортных расходов составит от 150 до 4500 руб. на 1 км дороги в год (в завис имости от интенсивности движения). Обеспечение значений коэффициента уплотнения грунта на стадии эксплуатации дороги в пределах 1–1,02 позволит снизить число ДТП на 14–21 %.

Результаты исследований опубликованы в следующих работах:

1. Афиногенов, А.О. Изменение показателей грунтов земляного полотна автомобильных дорог на территории Кемеровской области [Текст] // Кучинские чтения: материалы науч. конф. Томск. : Изд-во ТГАСУ. – 2007. – С. 146–149.

2. Афиногенов, А.О. Эффективность повышения степени уплотнения грунтов земляного полотна автомобильных дорог [Текст] // Вестник ТГАСУ. – 2008. – № 1. – С. 161–169*.

3. Афиногенов, А.О. Уточнение параметров грунтов и дорожноклиматического районирования территории Кемеровской области [Текст] // Вестник КузГТУ. – 2008. – № 1. – С. 53–55.

4. Афиногенов, А.О. Эффективность повышения степени уплотнения грунтов земляного полотна карьерных автомобильных дорог [Текст] // Вестник КузГТУ. – 2008. – № 1. – С. 55–60.

5. Афиногенов, А.О. Степень уплотнения глинистых грунтов в насыпях автомобильных дорог на территории Кемеровской области [Текст] // Вестник КузГТУ. – 2008. – № 2. – С. 135–136.

6. Афиногенов, А.О. Совершенствование методики нормирования степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог [Текст] // Вестник КузГТУ. – 2008. – № 3. – С. 105–108.

7. Афиногенов, А.О. Анализ напряженно-деформированного состояния массива грунта земляного полотна автомобильных дорог [Текст] // Вестник КузГТУ. – 2008. – № 3. – С. 109–111.

8. Афиногенов, А.О. Анализ результатов уплотнения глинистых грунтов в насыпях автомобильных дорог [Текст] // Вестник ТГАСУ. – 2009. – № 3. – С. 143–150*.

9. Афиногенов, А.О. Анализ технологических свойств глинистых грунтов юга Кузбасса [Текст] // Вестник КузГТУ. – 2009. – № 3. – С. 121–124.

10. Афиногенов, А.О. К вопросу проектирования технологии уплотнения глинистых грунтов [Текст] // Вестник КузГТУ. – 2009. – № 3. – С. 124–128.

11. Афиногенов, А.О. К вопросу назначения cтроительно-технологических свойств глинистых грунтов [Текст] // Вестник КузГТУ. – 2009. – № 4. – С. 82–86.

12. Афиногенов, А.О. К вопросу обеспечения качества уплотнения глинистых грунтов в насыпях автомобильных дорог [Текст] // Проблемы строительного производства и управления недвижимостью: материалы I междунар. науч.-практ. конф. Кемерово, 15-16 февраля 2010 г. / Кузбас.

гос. техн. ун-т. – Кемерово, 2010. – С. 284–287.

13. Афиногенов, А.О. Зависимости для разработки региональных норм плотности глинистых грунтов в насыпях автомобильных дорог [Текст] // Молодой ученый. – 2010. – № 4. – С. 49–53.

14. Афиногенов, А.О. Особенности регионального подхода при нормировании степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна [Текст] // Развитие дорожно-транспортного комплекса и строительной инфраструктуры на основе рационального природопользования: материалы V Всероссийской науч.-практ. конф. – Омск: СибАДИ, 2010. – Кн.1. – С. 3–6.

15. Афиногенов, А.О. Повышение качества уплотнения глинистых грунтов в насыпях автомобильных дорог на основе региональных завис имостей [Текст]: сб. науч. тр. по итогам междунар. науч.-техн. конф. – Брянск: БГИТА, 2010. – Вып. 11. – С. 142–146.

16. Афиногенов, А.О. Исследование строительно-технологических свойств глинистых грунтов, подвергшихся технологическому воздействию [Текст] // Вестник КузГТУ. – 2010. – № 4. – С. 20–23*.

17. Афиногенов, А.О. О целесообразности использования дифференцированного дорожно-климатического районирования территории Кемеровской области [Текст] // Вестник КузГТУ. – 2010. – № 6. – С. 155–157*.

18. Афиногенов, А.О. Региональные зависимости строительных свойств глинистых грунтов [Текст] // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения: тр. Всерос. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. – Новокузнецк: СибГИУ, 2010. – Вып. 14, ч. IV. – С. 72–75.

19. Ефименко, В.Н. Методология исследования свойств глинистых техногенных грунтов для целей наземного строительства [Текст] / В.Н. Ефименко, А.О. Афиногенов // Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири. Сибресурс 2010: материалы XIII междунар. науч.-практ. конф., 28– окт. 2010 г., ГУ КузГТУ. – Кемерово, 2010. – Т. 2. – С. 200–203 (вклад соискателя 50 %).

* Работы, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК.

Подписано в печать 25.04.11. Формат 60 84/16.

Бумага офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № _ 650043, г. Кемерово, ул. Ермака, 7. Тел. 58-29-