Действующие нормы проектирования дорожных одежд [1] указывают, что деформационные и прочностные характеристики грунтов следует назначать по региональным нормативно-техническим документам. Исследования для обоснования соответствующих значений требуемых параметров выполняются в ряде регионов России. При этом используются разные подходы и методики, но в целом они отличающиеся высокой стоимостью и трудоемкостью. Ниже рассматривается наиболее простой способ определения расчетных значений глинистых грунтов, который может быть использован на первом этапе регионального нормирования.
Анализ специальных работ [2, 3] показывает, что деформация грунтов является результатом ряда сложных процессов: «буферного торможения» структурного скелета, изгиба пластинчатых частиц и роста сил отталкивания, сжатия оболочек связанной воды, сжатия частиц, сжатия и вытеснения водных пленок, уменьшения количества дефектов структуры по сравнению с исходным состоянием, смыкания микротрещин, сжатия и вытягивания пустот в направлении сдвига. Причем, каждому из этих процессов должно соответствовать одно или несколько характерных времен релаксации, что крайне усложняет определение расчетных значений динамического модуля упругости, на который ведут расчет [1]. Наиболее простой способ получения значений динамического (кратковременного) модуля упругости грунтов — увеличить значения статического модуля упругости на определенный коэффициент.
Определением соотношения модулей упругости при кратковременной и длительной нагрузке (Ест) занимались многие авторы (Ю. М. Яковлев, П. И. Теляев, С. Р. Месчан, Н. Д. Красников, А. М. Шак и др.). Б. С. Радовский, А. С. Супрун, И. И. Козаков [3] рекомендовали для грунтов земляного полотна автомобильных дорог принимать данные проф. Ю. М. Яковлева [4]. Для глинистых грунтов соотношение Ед/Ест зависит от относительной влажности грунта и колеблется от 1,25 до 1,75. В нормах проектирования нежестких дорожных одежд ВСН 46–83 соотношение Ед/Ест было принято равным 1,2, что следует из сопоставления с данных этого документа и ВСН 46–72. Однако, для расчета на статическое действие нагрузок, ВСН 46–83 рекомендовал для связных грунтов уменьшать значения модулей упругости на 15 %. Ситуация усложняется, если обратить внимание на исследования динамических характеристик дорожных одежд, результаты которых опубликованы в работах А. В. Смирнова, С. К. Илиополова, Е. В. Угловой [5], Б. Б. Телтаева [6] и др.
Однако, несмотря на довольно подробные исследования динамики дорожных одежд, конкретные рекомендации по назначению значений расчетных модулей упругости глинистых грунтов Ед отсутствуют (кроме норм ОДН 218.046–2001 и ранее действующего ВСН 46–83). Причем, из анализа фундаментальных работ по грунтоведению можно вполне обоснованно предположить, что соотношение Ед/Ест так же должно носить региональный характер. В связи с отмеченным, нами были выполнены измерения динамических модулей упругости с параллельным определением коэффициента уплотнения грунта объемно-весовым методом (по ГОСТ 5180–84, ГОСТ 22733–2002) при строительстве автомобильной дороги I категории «Новосибирск — Ленинск-Кузнецкий — Кемерово — Юрга на участке Ленинск-Кузнецкий — Кемерово, км 295 — км 323,5» (климатический район III.Р.3).
Зафиксированная влажность грунта изменялась в пределах 18,6–20,2 % (отличается от оптимальной влажности на 2,9–5,2 %). Измерения динамического модуля упругости производили портативной установкой динамического нагружения ПДУ-МГ4 «Удар», имеющей сертификат о калибровке изготовителя (прибор внесен в Государственный реестр средств измерений, регистрационный номер 45397–10). Основная погрешность измерения модуля упругости прибором — не более 5 %. Установка измеряет модуль упругости материала слоя толщиной 0,15–0,20 м.
Результаты измерений приведены на рисунке (линия 1). Там же помещены результаты расчета статического модуля упругости по экспериментально полученной зависимости [7] для дорожно-климатического района III.Р.3 при влажности 19,15 % (линия 2). Сопоставление результатов позволяет установить, что соотношение Ед/Ест находится в пределах 1,3–1,43. В целом полученный результат близок к опубликованному в работе [3] для относительной влажности W/Wт = 0,6. В нашем случае значение относительной влажности грунта составило 0,59.
Рис. 1. Зависимость модуля упругости и коэффициента уплотнения глинистых грунтов (объект в районе III.Р.3): 1 — измеренные значения динамического модуля упругости Ед; 2 — рассчитанные на основе лабораторных испытаний значения статического модуля упругости Ест
Отметим, что экспериментально были установлены значения «длительного модуля упругости» (Еу). Анализ работ, посвященных исследованию влияния скорости нагружения дорожных одежд на величину модуля упругости материалов, позволил установить, что условия проведения экспериментов позволяют без особой погрешности принять значения Еу равными Ест [3]. Применяя значения полученных соотношений Ед/Ест или данные проф. Ю. М. Яковлева, можно назначить расчетные значения модуля упругости грунтов Ед для различных дорожно-климатических районов региона исследований.
Сравнение рассчитанных по формулам, обоснованным в работе [7], значений Ед с рекомендуемыми ОДН 218.046–2001 показало, что они ниже на 20–35 % и близки к значениям, рекомендованным в работах кафедры автомобильных дорог Томского государственного архитектурно-строительного университета [8].
Кроме модуля упругости для расчетов вариантов дорожных одежд необходимы значения угла внутреннего трения () и сцепления (С) грунта, которые также зависят от степени его уплотнения. Это специальный и довольно сложный вопрос. Однако, результаты исследований других авторов позволяют найти решение, обеспечивающее требуемую точность расчетов.
Исследования проф. В. Д. Казарновского [9] показали, что для неводонасыщенных глинистых грунтов угол внутреннего трения практически не зависит от плотности. В то же время их сцепление зависит как от влажности, так и от плотности. Для грунтов степного и лесостепного типов почвообразования III и IV дорожно-климатических зон проф. В. М. Сиденко, О. Т. Батраковым были получены следующие зависимости:
С = 0,034Ку1,5 ехр [3,94W — 6,81W2];
58,6(1 — W)Ку,
где W — относительная влажность грунта.
По мнению авторов [10], грунты другой формы почвообразования могут существенно отличаться физико-механическим свойствам, характеристиками прочности и деформируемости, но общий характер приведенных выше зависимостей сохраняется. С учетом этого значения С и грунта для нашей работы могут быть получены введением коэффициента, учитывающего степень уплотнения, к региональным данным С. В. Ефименко [8]. Зависимости будут иметь следующий вид:
С = СтаблКу1,5;
таблКу,
где Стабл и табл — значения, полученные С. В. Ефименко для глинистых грунтов во II, III и IV дорожно-климатических зонах на территории Западной Сибири (с учетом расчетной влажности и заданной интенсивности движения).
Значения Стабл и табл были обоснованы для грунтов нормированной плотности (Ку = 0,98–1,0).
Таким образом, региональные расчетные (динамические) значения прочностных и деформативных характеристик глинистых грунтов могут быть получены введением соответствующих (специально обоснованных) коэффициентов к экспериментальным значениям статических характеристик.
Литература:
1. ОДН 218.046–01. Проектирование нежестких дорожных одежд/ Минтранс России. — М.: Информавтодор, 2001. — 145 с.
2. Осипов, В. И. Природа прочностных свойств глинистых пород. — М.: Изд-во МГУ, 1979. — 235 с.
3. Радовский, Б. С. Проектирование дорожных одежд для движения большегрузных автомобилей/ Б. С. Радовский, А. С. Супрун, И. И. Козаков. — Киев: Будивэльнык. — 1989. — 168 с.
4. Иванов, Н. Н. Конструирование и расчет нежестких дорожных одежд / Н. Н. Иванов, Я. А. Калужский, М. Б. Корсунский и др. — М.: Транспорт, 1973. — 328 с.
5. Углова, Е. В. Теоретические и методологические основы оценки остаточного усталостного ресурса асфальтобетонных покрытий автомобильных дорог: Автореф. … дис. д-ра. техн. наук. — Волгоград, 2009. — 38 с.
6. Телтаев, Б. Б. Совершенствование методов исследования и основ проектирования нежестких одежд автомобильных дорог регионов Казахстана: Дис.... д-ра техн. наук. — Алматы, 1998. — 355 с.
7. Афиногенов, А. О. Обоснование региональных норм степени уплотнения глинистых грунтов земляного полотна автомобильных дорог (на примере районов Западной Сибири): Дис. … канд. техн. наук. — Томск, 2011. — 200 с.
8. Ефименко, С. В. Обоснование расчетных значений характеристик глинистых грунтов для проектирования дорожных одежд автомобильных дорог (на примере районов Западной Сибири): Дис. … канд. техн. наук. — Томск, 2006. — 217 с.
9. Казарновский, В. Д. Оценка сдвигоустойчивости связных грунтов в дорожном строительстве: Теоретические основы и практические методы. — М.: Транспорт, 1985. — 168 с.
10. Сиденко, В. М. Дорожные одежды с парогидроизоляционными слоями/ В. М. Сиденко, О. Т. Батраков, Ю. А. Покутнев. — М.: Транспорт, 1984. — 144 с.
