Повышение параметров прочности идеформируемости песков стабилизированных вяжущими материалами
Нерозник Сергей Александрович, студент
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия
В статье приведены краткие сведения о параметрах прочности песков и песков, укрепленных вяжущими материалами. Приведены результаты испытаний песков, укрепленных вспененным битумом и цементом.
Ключевые слова: дорожная конструкция, укрепленный грунт, песок, битум
Пески по сравнению с другими дисперсными грунтами имеют достаточно высокие параметры деформируемости, например модуль упругости песка среднего составляет 120 МПа, а у песка мелкого этот параметр равен 100 МПа. Рассматривая параметры сопротивления песков сдвигу, отметим, что при достаточно высоких углах внутреннего трения, сцепление песков невелико. Поэтому устойчивость песков к сдвигу хуже, чем у связных грунтов при их влажности близкой к оптимальной величине. Этот недостаток проявляется при расчете песчаных грунтов по традиционной методике [1], и еще более ярко при проверке условий пластичности, в которых касательные напряжения больше, чем у критерия Кулона–Мора, а прочность грунта во всех критериях характеризуется сцеплением. В этом несложно убедиться, выполнив расчет касательных напряжений по модифицированным условиям пластичности, опубликованным в работах [2–14], или произведя расчет безопасных давлений [15–21] по формулам, базирующимся на этих модифицированных критериях сопротивления сдвигу.
В силу таких обстоятельств работы, направленные на развитие методов технической мелиорации грунтов, важны и актуальны для дорожной отрасли. Рассматривая методы, приводящие к повышению характеристик сопротивления сдвигу, укажем, что к ним можно отнести три группы способов: гидро-геомеханическая, геохимическая мелиорация и геотехническая мелиорация.
К методам гидро-геомеханической мелиорации грунтов относят их осушение и уплотнение. Следуя материалам работ [22–25] отметим, что снижение влажности и повышение плотности ведет к увеличению параметров прочности грунта, в том числе характеристик сопротивления сдвигу.
Методы геотехнической мелиорации грунтов основаны на армировании грунтов различными плоскими и объемными геосинтетическими материалами. В работах этого направления разрабатываются методы расчета грунтовых армированных конструкций [26–28] и способы их испытаний [29–30]. Армирование грунтов признают эффективным способом обеспечения деформационной устойчивости конструкции, но технология строительства таких конструкций требует большого объема ручного труда, что делает ее трудоемкой.
Методы геохимической мелиорации предусматривают укрепление грунтов различными вяжущими материалами. Такая мелиорация позволяют существенно увеличить параметры грунтов, а все технологические процессы механизированы. Достаточно сказать, что ресайклер-стабилизатор выполняет за один проход измельчение грунта, введение в него необходимого количества органического вяжущего или цементной суспензии, а также воды, смешивание вяжущего с грунтом, оставляя после прохода слоя, который нужно спланировать и уплотнить. Некоторые ресайклеры не имеют системы подачи под кожух фрезерно-смешивающего барабана цементной суспензии, в этом случае сухие порошкообразные вяжущие распределяют перед ресайклером (см. рис. 1), что также обеспечивает необходимое качество перемешивания.
Рис. 1. Укрепление грунтов минеральным вяжущим при его распределении перед ресайклером-стабилизатором
Для успешного применения укрепленных грунтов в практике строительства дорог необходимо подобрать состав смеси, а для более верного проектирования определить параметры прочности и деформируемости рекомендованных составов. Эти задачи решаются лабораторными испытаниями. Поэтому в лаборатории нами готовились образцы укрепленных грунтов. Для этого песок требуемого государственным стандартом гранулометрического состава смешивали с цементом до получения смеси однородного состава (см. рис. 2). После чего в сухую цементопесчаную смесь вводили воду и перемешивали вновь до однородной консистенции (см. рис. 3).
Рис. 2. Присоединение цемента М400 к песку требуемого зернового состава
Рис. 3. Приготовление увлажненной цементопесчаной смеси
После перемешивания цементопесчаной смеси с водой ее подавали в тару, с горячим битумом, масса которого была заранее дозирована. Перемешивание выполняли миксером. В результате получали песчаную смесь, укрепленную комплексным вяжущим. Из смеси формовали образцы, которые испытывали на предмет соответствия всем требованиям действующих государственных стандартов. Если образцы не отвечали требованиям нормативных документов, то состав браковали. В других составах изменяли дозировку вяжущего, увеличивая содержание цемента или битума. Образцы испытывали одноосным сжатием (см. рис. 4).
Рис. 4. Одноосное сжатие образца из укрепленного песка при помощи разрывной машины AI-7000 LA 10 в составе измерительно-вычислительного комплекса «GOTECH»
Результаты определения пределов прочности песков, укрепленных комплексным вяжущим приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты испытаний разных составов песка, укрепленного комплексным вяжущим
|
№состава |
Содержание вяжущего,% от массы песка |
Требуемые ГОСТ 30491–2012 [31] значения не менее, МПа |
Фактические значения, МПа |
Соответствие ГОСТ 30491–2012 [31] |
|||||||||||
|
Вспененный битум БНД 90/130 |
Портландцемент М400 |
R20 |
R50 |
Rw20 |
R20 |
Rw20 |
|||||||||
|
1 |
6 |
7 |
1,5 |
– |
1,0 |
1,61 |
1,21 |
Соответствует |
|||||||
|
2 |
8 |
1,5 |
– |
1,0 |
1,77 |
1,32 |
Соответствует |
||||||||
|
3 |
9 |
1,5 |
– |
1,0 |
1,86 |
1,37 |
Соответствует |
||||||||
|
4 |
10 |
1,5 |
– |
1,0 |
1,90 |
1,40 |
Соответствует |
||||||||
|
Применяемый минеральный материал |
|||||||||||||||
|
Наименование |
Содержание в % |
Зерновой состав (Остатки на сите с отверстиями, мм) % от массы |
|||||||||||||
|
Песок очень мелкий |
100 |
5 |
2,5 |
1,25 |
0,63 |
0,315 |
0,16 |
0,071 |
|||||||
|
- |
0,27 |
1,93 |
12,17 |
45,71 |
82,87 |
87,34 |
|||||||||
Из анализа табличных данных следует, что по показателям прочности все 4 состава удовлетворяют требования ГОСТ 30491–2012 [31] и могут быть применены при строительстве оснований дорожной одежды. Для определения модуля упругости нами использовались опытные зависимости вертикальной деформации цилиндрического образца от давления при его сжатии (см. рис. 5).
Рис. 5. Зависимость деформации от усилия, передаваемого на образец укрепленного грунта
Безусловно, что вычисленные значения параметров прочности и деформируемости песка, укрепленного комплексным вяжущим по результатам испытаний оказываются точнее данных регламентируемых документом [1]. Поэтому автор в своей квалификационной работе использовал данные лабораторных опытов по определению параметров прочности и деформируемости песков, укрепленных цементом марки М400 и битумом. Эти данные использованы при расчете конструкции дорожной одежды по всем критериям прочности, регламентируемым нормативом [1]. Для принятой конструкции дорожной одежды разработана технологическая схема ее строительства, которая может быть применена в проекте производства работ строительства одного из участков автомобильной дороги Надым–Салехард.
Литература:
1. ОДН 218.046–01. Проектирование нежестких дорожных одежд. – М.: ГСДХ Минтранса России, 2001. — 146 с.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Батырова В. В. Применение третьей теории прочности и сопротивления недренированному сдвигу для расчета безопасных давлений на земляное полотно // Молодой ученый. — 2016. — № 11.
6. Чусов В. В. Перспективы применения эмпирических условий пластичности грунтов и определение их параметров при трехосных испытаниях грунтов Вестник ВолГАСУ. — 2015. № 42 (61). — С. 49–57.
7. Александров А. С. Трехпараметрическое условие пластичности Кулона–Мора. Часть 1. Вывод критерия. // В сборнике: Наука XXI века: опыт прошлого — взгляд в будущее: материала II международной научно-практической конференции — Омск, СибАДИ, 2016. — С. 50–54.
8. Александров А. С. Трехпараметрическое условие пластичности Кулона–Мора. Часть 2. Круги предельных напряжений. // В сборнике: Наука XXI века: опыт прошлого — взгляд в будущее: материала II международной научно-практической конференции — Омск, СибАДИ, 2016. — С. 54–59.
9. Александров А. С. Трехпараметрическое условие пластичности Кулона–Мора. Часть 3. Определение параметров материала. // В сборнике: Наука XXI века: опыт прошлого — взгляд в будущее: материала II международной научно-практической конференции — Омск, СибАДИ, 2016. — С. 59–64.
10. Калинин А. Л. Способ модификации условий пластичности // В сборнике: Наука XXI века: опыт прошлого — взгляд в будущее: материала II международной научно-практической конференции — Омск, СибАДИ, 2016. — С. 59–150.
11. 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.
12. Калинин А. Л. Применение модифицированных условий пластичности для расчета безопасных давлений на грунты земляного полотна. // Инженерно-строительный журнал — 2013. № 4 (39). — С. 35–45.
13. 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.
14. 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.
15. 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
16. Долгих Г. В. Расчет грунтов земляного полотна по критерию безопасных давлений // Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. — 2013. — № 6 (34). — С. 43–49.
17. Долгих Г. В. Расчет нежестких дорожных одежд по критерию безопасных давлений на глинистые грунты земляного полотна // Автореф. Дис. канд. техн. наук. — Омск: СибАДИ. — 2014. — 20 с.
18. Долгих Г. В. Применение критерия безопасных давлений для расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу в грунте земляного полотна // // В сборнике: Политранспортные системы материалы VIII Международной научно-технической конференции в рамках года науки Россия — ЕС. Новосибирск: СГУПС, 2015. — С. 176–182.
19. Долгих Г. В. Применение безопасного давления в качестве критерия расчета земляного полотна по сдвигу в грунте // В сборнике: Наука XXI века: опыт прошлого — взгляд в будущее: материала II международной научно-практической конференции — Омск, СибАДИ, 2016. — С. 113–117.
20. Александров А. С. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Том Часть 1. Состояние вопроса. — Омск: СибАДИ, 2015. — 292 с.
21. Александров А. С. Совершенствование расчета дорожных конструкций по сопротивлению сдвигу. Том Часть 2. Предложения. — Омск: СибАДИ, 2015. — 262 с.
22. 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.
23. 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.
24. Александрова Н. П., Семенова Т. В. Совершенствование методов экспресс контроля уплотнения грунтов в земляном полотне лесных дорог. Часть 1. Обобщающая математическая модель // Международный научно-исследовательский журнал — 2016. — № 6. Статья в печати.
25. 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.
26. Meyer, N. Elias, J. M. Design methods for roads reinforced with multifunctional geogrid composites for sub-base stabilization. // German Conference on Geosynthetics, Technical University Munich. 1999. — Pp. 1–8.
27. Benjamin C. V. S., Bueno B., Zornberg J. G. Field monitoring evaluation of geotextile-reinforced soil retaining walls. // Geosynthetics International Journal. — 2007.April, Vol. 14, No. 2. — Pp. 100–118.
28. Hu Y.C., Zhang Y. M. Analysis of Load-Settlement Relationship for Unpaved Road Reinforced with Geogrid // First International Symposium on Geotechnical Safety & Risk Oct. 18~19, 2007. — Pp. 609–615.
29. Leng J. Characteristics and Behavior of Geogrid-Reinforced Aggregate under Cyclic Load. // A Dissertation for the Degree of Doctor of Philosophy. — 2002. — 152 p.
30. Mounes S.M. at all. An overview on the use of geosynthetics in pavement structures // Scientific Research and Essays. 2011. — Vol. 6(11). — Pp. 2234–2241.
31. ГОСТ 30491–2012 Смеси органоминеральные и грунты, укрепленные органическими вяжущими, для дорожного и аэродромного строительства. Технические условия.
