Оценка технической возможности повышенного уплотнения глинистых грунтов при сооружении насыпей автомобильных дорог может быть выполнена путем анализа экспериментальных значений коэффициентов уплотнения на реальных объектах. Она необходима для установления возможного ограничения верхнего предела значений коэффициента уплотнения грунта при его нормировании, назначения расчетных характеристик грунтов при расчете дорожных одежд и др.
Повышенная работа по уплотнению (уплотнение до степени выше требуемой нормами) дает весьма ощутимый технический и экономический эффект [1, 2]. С другой стороны, следует согласиться с мнением ряда специалистов (особенно практиков), что в отдельных случаях достичь необходимой степени уплотнения глинистых грунтов (наиболее распространенных на территории Западной Сибири) достаточно сложно или невозможно.
На результаты уплотнения дорожных насыпей влияют погодные условия, свойства грунтов, наличие необходимых технических средств, соблюдение технологии работ и т. д. Основываясь на классической теории управления качеством, можно выделить следующие основные факторы: технические средства, технологии, менеджмент, природно-климатические условия, материалы (грунты), персонал. Одни факторы практически не поддаются управлению или очень консервативны в этом отношении, другие — наоборот. Наиболее простой и достоверный способ оценки возможности достижения определенной степени уплотнения грунтов в этих условиях — статистический анализ результатов уплотнения грунтов в насыпях реальных объектов на определенной территории.
Для анализа использованы результаты испытаний на крупнейших объектах дорожного строительства в Кемеровской области. На рис. 1 приведены данные по плотности распределения коэффициента уплотнения. Под термином «коэффициент уплотнения грунта» понимается отношение плотности скелета грунта в конструкции к максимальной плотности скелета того же грунта при стандартном уплотнении по ГОСТ 22733–2002.
Рис. 1. Плотность распределения значений коэффициента уплотнения для Кемеровской области в целом (КО) и по дорожным районам (III.Х.4, III.Р.3, II.Г.2, II.Х.1)
Средние значения коэффициента уплотнения грунта по отдельным дорожно-климатическим районам (в соответствии с дифференцированным районированием проф. В. Н. Ефименко [3]) различаются: II.Г.2–0,978; II.Х.1–0,940; III.Х.4–0,986; III.Р.3–0,973. Это может быть следствием различия природных и климатических условий, степени увлажнения грунтов, а также ряда других показателей. Часто в разных районах области земляное полотно сооружали одни и теже подрядные организации, или организации, имеющие примерно одинаковые технические средства и другие условия, влияющие на качество работ. Установлено, что нет существенной разницы между результатами уплотнения в верхних, средних и нижних слоях насыпи, поэтому в процессе анализа соответствующее разделение информационного массива не производилось. Для всех районов отмечен значительный разброс значений коффициента уплотнения — от 0,82 до 1,11. Все это может свидетельствовать и о недостаточном уровне организации и нарушениях технологии работ. Кроме того, не исключены ошибки в определении значений коэффициента уплотнения (например, значения выше 1,05 вызывают сомнения).
Для дорожного района II.Х.1 полученные результаты можно считать показательными, если обратить внимание на увлажненность грунтов в этом районе. Среднее значение коэффициента уплотнения 0,94, разброс данных от 0,82 до 1,05. Прослеживается зависимость: чем выше коэффициент переувлажнения (отношение фактической и оптимальной влажности грунта), тем меньшее значение коэффициента уплотнения достигается (см. таблицу).
Связь увлажненности и коэффициента уплотнения глинистого грунта
|
Климатический район |
II.Х.1 |
III.Р.3 |
II.Г.2 |
III.Х.4 |
Пообласти |
|
Соотношение фактической и оптимальной влажности грунта |
1,22 |
1,04 |
1,02 |
0,956 |
1,03 |
|
Среднее значение коэффициента уплотнения |
0,94 |
0,973 |
0,978 |
0,986 |
0,974 |
Обработка данных производилась дважды: для массивов 363 и 690 проб. Увеличение количества проб в 1,9 раза не привело к существенному изменению средних значений достигнутого коэффициентов уплотнения (в первом случае они составляли: для района II.Г.2–0,968; III.Х.4–0,987; III.Р.3–0,976), это подтверждает, что получены достаточно представительные результаты и дальнейшее расширение информационного массива не имеет смысла. Для района II.Г.2, где количество проб в первоначальном анализе было равным 25, значения коэффициента уплотнения отличаются больше. Такой подход к определению числа опытов с грунтами имеет теоретическое обоснование и используется в дорожной практике.
Сведения, представленные на рис. 1 и в таблице, показывают, что в целом на практике обеспечивается довольно высокая степень уплотнения и имеются предпосылки для введения повышенных норм плотности грунта. Для количественной оценки было выполнено построение графиков функций распределения F(Ку) по дорожно-климатическим районам Кемеровской области и установлено, что от 18 до 42 % значений коэффициента уплотнения не менее 1,0, 8–27 % — не менее 1,02 и 6–22 % — не менее 1,03. Зафиксированы достоверно подтвержденные значения коэффициента уплотнения до 1,1. Это показывает, что имеется техническая возможность без специальных мероприятий добиваться уплотнения глинистого грунта до Ку =1,02–1,03.
С другой стороны, на степень уплотнения грунтов земляного полотна в реальном технологическом процессе могут влиять такие факторы, как тип местности по характеру увлажнения (естественная влажность грунта), величина оптимальной влажности и коэффициент переувлажнения грунта и т. д. Ниже приведены результаты соответствующего анализа.
Для установления зависимости коэффициент уплотнения — коэффициент увлажнения (отношение фактической влажности к оптимальной влажности грунта) получена следующая формула (при R2 = 0,983, Кувл = 0,95–1,22):
.
Ее можно применять для назначения мероприятий по увлажнению или просушке грунтов, прогноза ожидаемых показателей уплотнения.
Нормы (СП 34.13330.2012, СП 78.13330.2012) регламентируют допустимое отклонение значений естественной влажности грунта от оптимальной. Эти границы зависят от требуемой степени уплотнения и вида грунта.
Имеется некоторая зависимость достигаемой степени уплотнения от абсолютных значений естественной влажности грунта. При Wф = 10–35 % она имеет вид:
Ку = 1,026–0,0026Wф.
Достаточно тесной является зависимость коэффициента уплотнения от коэффициента увлажнения грунта (рис. 2). Чем меньше степень увлажнения грунта, тем проще обеспечить повышенное значение коэффициента уплотнения. Коэффициент уплотнения уменьшается ростом коэффициента увлажнения (отношение естественной влажности грунта к оптимальной). Для случаев, когда естественная влажность грунта имеет высокие значения, необходимо предусматривать более жесткие нормы операционного контроля и подтверждения соответствия.
Рис. 2. Зависимость коэффициента уплотнения от коэффициента увлажнения глинистого грунта (по средним значениям)
От максимальной плотности грунта и его оптимальной влажности коэффициент уплотнения, достигаемый в процессе сооружения насыпей автомобильных дорог, практически не зависит.
Зависимость коэффициента уплотнения грунта от его максимальной плотности mах имеет вид (при R2 = 0,045):
Ку = 1,041–0,0382mах,
от оптимальной влажности Wо (при R2 = 0,014):
Ку = 0,928 + 0,002Wо.
Следует отметить, что фактический диапазон изменения естественной влажности грунтов несколько больше, чем регламентировано СП 78.13330.2012, но это практически не отражается на достигаемой степени уплотнения.
Приведенные результаты исследования позволяют более обоснованно назначать меры по обеспечению требуемой степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог и аналогичных сооружений, проектировать соответствующую технологию работ на основе региональных зависимостей. Очевидно, что современные технические средства позволяют в массовом порядке достигать значений коэффициента уплотнения 1,0–1,1, без специальных мер (в том числе просушивания или увлажнения грунта).
Литература:
1. Афиногенов, А. О. Эффективность повышения степени уплотнения грунтов земляного полотна автомобильных дорог // Вестник ТГАСУ. — 2008. — № 1. — С. 161–169.
2. Жустарева, Е. В. Некоторые результаты экспериментальных исследований влияния плотности грунта земляного полотна автомобильных дорог в процессе накопления остаточных деформаций // Проблемы строительства и эксплуатации автомобильных дорог: Сб. науч. тр./ МАДИ-ТУ. — М., 1998. — С. 48–49.
3. Ефименко, В. Н. Дорожно-климатическое районирование Кемеровской области // Опыт обеспечения эффективности дорожного комплекса Кузбасса: Сб. науч. тр. — Томск: Изд-во Том. ун-та, 1997. — С. 62–66.
