Методы экспресс-контроля качества строительства автомобильных дорог. Часть 2. Уплотнение щебеночных оснований
Стригун Ксения Юрьевна, магистрант
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
В публикации выполнен обзор оборудования и приборов, которые могут быть применены для оперативного контроля степени уплотнения щебеночных оснований. Разработан алгоритм расчета коэффициента уплотнения по показаниям конусного пенетрометра. Применение результатов, полученных в работе, позволит повысить однородность уплотнения щебеночных оснований, и уменьшить величину, накапливаемой ими остаточной деформации. Это позволит повысить ровность покрытий и увеличить межремонтные сроки возобновления ровности.
Ключевые слова: коэффициент уплотнения, экспресс оценка степени уплотнения, динамический пенетрометр.
В работах [1–5] что величина необратимой деформации щебеночных материалов зависит от ряда факторов, в том числе и степени уплотнения. Особенностью щебеночных материалов является, что острые грани минеральных частиц вдавливаются в материал подстилающего слоя, вызывая возникновение достаточно больших напряжений. Этот эффект называют концентрацией напряжений. Вследствие этого фактическая величина напряжений превышает значения, используемые в любом условии пластичности [7–15], применяемом для расчета материала слоя, подстилающего щебеночное основание по сопротивлению сдвигу. Традиционные [16, 17] и современные [18–21] модели расчета главных напряжений не учитывают эффекта концентрации напряжений. Поэтому при расчете по сопротивлению сдвигу, вычисляемые касательные напряжения [22] оказываются недооценены. Аналогичная ситуация складывается при расчете по критерию безопасных давлений [23, 24]. Такое увеличение компонент тензора напряжений приводит к нелинейной зависимости пластических деформаций материала, подстилающего щебеночные основания от напряжений [25–31], вследствие чего показатели ровности дорожного покрытия превышают требуемые значения [32–34]. Одним из мероприятий минимизации такого ущерба является строительство щебеночных оснований высокой плотности при строгом контроле степени уплотнения. Уменьшить трудоемкость контроля можно применением экспресс методов, которые интенсивно разрабатываются в настоящее время [35–38]. Определение максимальной плотности щебня в основаниях дорожных одежд можно при помощи по методу Р. Проктора, используя тест C (Си — англ.) [39].
Исследования, выполненные за рубежом выявили корреляцию между модулем упругости и калифорнийским числом несущей способности (см. табл. 1).
Таблица 1
Эмпирические формулы для определения модуля упругости
|
Автор или документ |
Формула для расчета модуля упругости при измерении в |
|
|
psi (фунт/дюйм2) |
кПа |
|
|
W. Heukelom и A. J. G. Klomp [40] |
|
|
|
Witczak [41] |
|
|
|
Green and Hall [42] |
|
|
|
Sukumaran [43] |
|
|
|
Powell et al. [44] |
|
|
Из анализа данных таблицы 1 следует, что модуль упругости и калифорнийское число несущей способности могут быть взаимосвязаны друг с другом линейной или степенной зависимостью.
(1)
(2)
Учитывая связь калифорнийского числа несущей способности с плотностью сухого грунта или коэффициентом уплотнения (см. первую часть публикации [38]) формулы (1) и (2) можно представить в виде:
(3)
Из анализа (3) следует, что для вычисления коэффициента уплотнения грунта достаточно установить его взаимосвязь с модулем упругости или калифорнийским числом несущей способности.
Из анализа исследований [38] следует, что взаимосвязь модуля упругости с коэффициентом уплотнения и влажностью грунта можно представить в обобщенном виде
(4)
Решая (4) относительно коэффициента уплотнения получим
(5)
Подставляя в зависимость (5) формулу (2) получим:
(8)
Формула (8) является наилучшим приближением коэффициента уплотнения от CBR, и параметров щебеночного материала (А, В, a и b). Эта зависимость позволяет определять коэффициент уплотнения грунтов в зависимости от величины CBR, измеренной на месте производства работ. В свою очередь, калифорнийское число несущей способности связано с глубиной проникновения динамического конусного пенетрометра в щебеночное основания от одного удара груза (или как еще говорят с индексом динамического проникновения конуса — DCPI).
В таблице 2 приведены эмпирические формулы, связывающие калифорнийское число несущей способности щебеночных материалов и грунтов (CBR) и сопротивлением проникновению конуса (DSP), равно и индексом динамического проникновения конуса (DCPI).
Таблица 2
Корреляционные зависимости между CBR иDSPI
|
Автор |
Материал |
Формула |
|
M. Livneh [45] |
Щебеночные материалы |
|
|
|
||
|
J. R. Harison [46] |
|
|
|
S. L. Webster, R. H. Grau и T. P. Williams [47] |
Различные виды дисперсных грунтов |
|
Из анализа данных таблицы 2 следует, что коэффициенты эмпирических формул являются индивидуальными параметрами для каждого грунта, но они могут быть установлены испытаниями непосредственно на строительной площадке.
Результаты исследований [45–47] свидетельствуют том, что корреляционная связь CBR с DCPI может быть записана в общем виде, а именно формулой:
(9)
где, DSPI — индекс проникновения конуса, мм/удар; f и g — параметры уравнения регрессии, зависящие от вида тестируемого материала.
Используя основные свойства логарифмов и применяя правило антилогарифмирования, получим формулу:
(10)
Подставив (10) в (8) получим
(11)
Зависимость (11) позволяет производить оценку коэффициента уплотнения щебеночных материалов и грунта на месте производства работ при помощи динамического конусного пенетрометра.
При применении динамического конусного пенетрометра и предлагаемую нами методику испытаний наконечник прибора устанавливают в точке измерений. Затем выполняют 10–15 сбросов груза, отсчитывая число ударов. После этого снимают отсчет о глубине проникновения и вычисляют ее среднее значение, то есть за один удар. По формуле (11) рассчитывают коэффициент уплотнения. Перемещают прибор к другой точке и повторяют процедуру испытания.
Литература:
1. Семенова Т. В., Гордеева С. А., Герцог В. Н. Определение пластических деформаций материалов, используемых в дорожных конструкциях // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. — 2012. — № 4(37). — С. 247–254.
2. Александров А. С., Киселева Н. Ю. Пластическое деформирование гнейс- и диабаз материалов при воздействии повторяющихся нагрузок // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2012. — № 6. — С. 49–59.
3. Семенова Т. В., Герцог В. Н. Пластическое деформирование материалов с дискретной структурой в условиях трехосного сжатия при воздействии циклических нагрузок // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. — 2013. — № 1(29). — С. 68–73.
4. Александров А. С. Пластическое деформирование гранодиоритового щебня и песчано-гравийной смеси при воздействии трехосной циклической нагрузки // Инженерно-строительный журнал. — 2013. — № 4(39) — С. 22–34.
5. Wichtmann T., Niemunis A. Triantafyllidis Th. Strain accumulation in sand due to drained cyclic loading: on the effect of monotonic and cyclic preloading (Miner's rule) // Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 2010. Vol. 30, № 8, Pp.736–745.
6. Александров А. С. Применение теории наследственной ползучести к расчету деформаций при воздействии повторных нагрузок: монография. — Омск: СибАДИ, 2014. — 152 с.
7. Александров А. С., Долгих Г. В. Калинин А. Л. Модификация критериев прочности сплошной среды для расчета грунтов земляного полотна по сопротивлению сдвигу // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». — Омск: СибАДИ, 2013. — С. 228–235.
8. Калинин А. Л. Применение модифицированных условий пластичности для расчета безопасных давлений на грунты земляного полотна. // Инженерно-строительный журнал — 2013. № 4(39). — С. 35–45.
9. Александров А. С., Долгих Г. В., Калинин А. Л. Применение критерия Друкера-Прагера для модификации условий пластичности // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2013. № 2. — С. 26–29.
10. Калинин А. Л. Совершенствование расчета касательных напряжений в дорожных конструкциях. Часть 1. Модификация критерия Писаренко-Лебедева и его применение при расчете касательных напряжений // Молодой ученый. — 2016. — № 6(110). — С. 108–114.
11. Александров А. С. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Ч. 1. Состояние вопроса: монография. — Омск: СибАДИ, 2015. — 292 с.
12. Александров А. С. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Ч. 2. Предложения: монография. — Омск: СибАДИ, 2015. — 262 с.
13. Чусов В. В. Перспективы применения эмпирических условий пластичности грунтов и определение их параметров при трехосных испытаниях грунтов Вестник ВолГАСУ. — 2015. № 4(61). — С. 49–57.
14. Александров А. С., Калинин А. Л. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Часть 1. Учет деформаций в условии пластичности Кулона-Мора // Инженерно-строительный журнал. — 2015. № 7(59). — С. 4–17.
15. Калинин А. Л. Применение модифицированного критерия Писаренко — Лебедева для расчета касательных напряжений в земляном полотне // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». — Омск, СибАДИ, 2013. — С. 299–307.
16. Foster С. R., Ahlvin R. G. Stresses and deflections induced by a uniform circular load. // Proc. Highway Research Board. — 1954. — Vol. 33. — P. 236–246.
17. Ahlvin R. G., Ulery H. H. Tabulated Values for Determining the Complete Pattern of Stresses, Strains and Deflections Beneath a Uniform Load on a Homogeneous Half Space, Bull. 342, Highway Research Record, pp. 1–13, 1962.
18. Александров А. С., Александрова Н. П., Долгих Г. В. Модифицированные модели для расчета главных напряжений в дорожных конструкциях из дискретных материалов // Строительные материалы. — 2012. — № 10. — С. 14–17.
19. Александрова Н. П. Модифицированные модели для расчета главных напряжений в грунте земляного полотна // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». Омск, 2013. — С. 236–246.
20. Александров А. С. Один из путей расчета минимальных главных напряжений в грунтах земляного полотна / А. С. Александров // В сборнике: Архитектура. Строительство. Транспорт. Технологии. Инновации Материалы Международного конгресса ФГБОУ ВПО «СибАДИ». — Омск, СибАДИ, 2013. — С. 217–228.
21. Александрова Н. П., Семенова Т. В., Долгих Г. В. Совершенствование моделей расчета главных напряжений и девиатора в грунте земляного полотна // Вестник СИБАДИ. — 2014. — № 2(36). С. 49–54.
22. Александров А. С., Долгих Г. В. Калинин А. Л. Один из путей совершенствования расчета дорожных одежд по условию сопротивления сдвигу в грунте земляного полотна // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. — Пермь: Пермский национальный исследовательский политехнический университет, 2013. — С. 9–22.
23. Долгих Г. В. Расчет грунтов земляного полотна по критерию безопасных давлений // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. — 2013. — № 6(34). — С. 4349.
24. Александров А. С., Долгих Г. В., Калинин А. Л. О допускаемых давлениях на грунты земляного полотна и слои дорожной одежды // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2012. № 2. — С. 10–13.
25. Александров А. С. Расчет пластических деформаций материалов и грунтов дорожных при воздействии транспортной нагрузки // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. Строительство. — 2009. — № 2. — С. 3–11.
26. Золотарь И. А. К определению остаточных деформаций в дорожных конструкциях при многократных динамических воздействиях на них подвижных транспортных средств / И. А. Золотарь. — Санкт-Петербург: Изд-во ВАТТ, 1999. — 31 с.
27. Александров А. С. Моделирование деформационных процессов, протекающих в связных грунтах // Наука и техника в дорожной отрасли. — 2002. — № 4. — С. 16–19.
28. Фадеев В. Б. Влияние остаточных деформаций грунта земляного полотна на колееобразование на проезжей части дорог с нежесткими дорожными одеждами: / В. Б. Фадеев // Автореф. канд. техн. наук, М.: МАДИ (ТУ), 1999. — 21 с.
29. Александров А. С. Нелинейное пластическое деформирование материалов при воздействии повторных кратковременных нагрузок / А. С. Александров // Известия высших учебных заведений. Строительство. — 2008. — № 10. — С. 74–84.
30. Горячев М. Г. Обоснование суммарного размера движения для расчета нежестких дорожных одежд с учетом процесса накопления остаточных деформаций: / М. Г. Горячев // Автореф. канд. техн. наук — М., МАДИ (ТУ), 1999. — 17 с.
31. Жустарева Е. В. Влияние плотности связного грунта в рабочем слое земляного полотна на остаточные деформации нежестких дорожных одежд: / Е. В. Жустарева // Автореф. канд. техн. наук — М.: МАДИ (ТУ), 2000. — 20 с.
32. Александров А. С. Критерии расчета дорожных конструкций по ровности, допускаемые и предельные неровности // Вестник гражданских инженеров. — 2008. — № 4. — С. 97–104.
33. Герцог В. Н., Долгих Г. В., Кузин В. Н. Расчет дорожных одежд по критериям ровности. Часть 1. Обоснование норм ровности асфальтобетонных покрытий // Инженерно-строительный журнал. — 2015. — № 5(57) — С. 45–57.
34. Александров А. С., Гордеева С. А., Шпилько Д. Н. О допускаемых и предельных значениях неровностей асфальтобетонных покрытий дорожных одежд жесткого типа //Автомобильная промышленность. — 2011. — № 2. — С. 31–35.
35. Александрова Н. П., Троценко Н. А. Применение измерителя жесткости грунта Geogauge для оценки качества уплотнения при операционном контроле // Вестник СибАДИ, 2014, № 3 — С. 40–47.
36. Семенова Т. В., Долгих Г. В., Полугородник Б. Н. Применение Калифорнийского числа несущей способности и динамического конусного пенетрометра для оценки качества уплотнения грунта // Вестник СибАДИ, 2014, № 1 — С. 59–66.
37. Александрова Н. П., Семенова Т. В., Стригун К. Ю. Совершенствование методов экспресс оценки качества уплотнения грунтов земляного полотна строительства автомобильных дорог / Н. П. Александрова // Вестник СибАДИ. — 2015. — № 4. — С. 46–57.
38. Стригун К. Ю. Методы экспресс-контроля качества строительства автомобильных дорог. Часть первая. Уплотнение грунтов земляного полотна. // Молодой ученый. — 2016. — № 6(110). — С. 200–204.
39. Александрова Н. П., Семенова Т. В., Долгих Г. В. Методы определения максимальной плотности грунтов земляного полотна автомобильных дорог [Электронный ресурс]: учебно-методическое пособие — Электрон. дан. − Омск: СибАДИ, 2015. — Режим доступа: http://bek.sibadi.org/fulltext/ESD53.pdf, свободный после авторизации. — Загл. с экрана.
40. Heukelom W., Klomp A. J. G. Dynamic Testing as a Means of Controlling Pavements During and After Construction. Proc., of 1st International Conference on Structural Design of Asphalt Pavements. 1962
41. Witczak M. W., Qi X., Mirza M. W. Use of Nonlinear Subgrade Modulus in AASHTO Design Procedure // Journal of Transportation Engineering, Vol. 121, № 3 1995. Pp. 273–282.
42. Green J. L., Hall J. W. Nondestructive Vibratory Testing of Airport Pavements Volume I: Experimental Test Results and Development of Evaluation Methodology and Procedure // Federal Aviation Administration Report №. FAA-RD-73–205–1 (September 1975).p 214.
43. Sukumaran B., Kyatham V., Shah A., Sheth D. Suitability of Using California Bearing Ratio Test to Predict Resilient Modulus // Proceedings: Federal Aviation Administration Airport Technology Transfer Conference, 2002. 9 p.
44. Powell W. D., Potter J. F., Mayhew H. C., Nunn M. E. The Structural Design of Bituminous Roads // Transport and Road Research Laboratory, TRRL Laboratory Report 1132, Department of Transport, Berkshire, United Kingdom.
45. Livneh M. Validation of Correlations between a Number of Penetration Tests and In Situ California Bearing Ratio Tests. Transp. Res. Rec. 1219. 1987 Pp. 56–67.
46. Harison J. R. Orrelation between California Bearing Ratio and Dynamic Cone Penetrometer Strength Measurement of Soils. Proc. Instn. Of Civ. Engrs., London, Part 2, 1987. Pp. 83–87.
47. Webster S. L., Grau R. H., Williams T. P. Description and Application of Dual Mass Dynamic Cone Penetrometer,. Final Report, Department of Army, Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS. 1992.
