О модуле упругости грунтов

Модуль упругости материалов дорожной одежды и подстилающих грунтов является одной из основных расчетных характеристик при проектировании дорожных одежд автомобильных дорог.

В связи с этим необходимо правильно определить модуль для каждого материала и грунта, назначить и применить его при расчете дорожных одежд. Это способствует увеличению межремонтных сроков службы дорожных одежд в Российской Федерации. Представляется целесообразным улучшать свойства грунтов земляного полотна и подстилающего основания, а также сохраняет их стабильные характеристики в течение всего периода эксплуатации автомобильной дороги [1].

Одной из основных причин разрушения дорожных конструкций является недостаточная несущая способность грунтов земляного полотна и его основания. Так, по данным профессора С.К. Илиополова, полученным по результатам исследований на автомобильных дорогах и приведенным на международной научно-практической конференции «Инновационные технологии: пути повышения межремонтных сроков службы автомобильных дорог» (МАДИ, 4 февраля 2016 г.), остаточные деформации в слоях покрытия составляют 30%, а в основании дорожной одежды и грунтах земляного полотна – оставшиеся 70%.

Следовательно, необходимо на примере Германии (где для любой категории дорог требуемый модуль упругости на поверхности грунтов земляного полотна должен быть равен 45 МПа), предъявить жесткие требования к грунтам земляного полона и подстилающего основания. При этом чем хуже природно-климатические условия эксплуатации (например, I–II дорожно-климатическая зона), тем требования должны быть выше. Повысив жесткость в нижней части конструкций, можно снизить толщину дорогостоящих слоев дорожной одежды и существенно продлить сроки службы этих сооружений.

Таким образом, оставив I и V дорожно-климатические зоны за скобками, требования к модулю упругости грунтов земляного полотна, по нашим предложениям, должны быть дифференцированы [1]:

2. дорожно-климатическая зона – 60 МПа;
3. дорожно-климатическая зона – 50 МПа;
4. дорожно-климатическая зона – 45 МПа.

На сегодняшний день прочностные и деформационные характеристики определяются в зависимости от расчетной влажности [2]. Известно, что чем выше влажность грунта, тем меньше модуль упругости, ниже сцепление и меньше угол внутреннего трения. Повысить модуль упругости можно путем укрепления грунтов, армированием геосинтетическими материалами, устройством набивных свай или дрен, комплексными методами (включающими в себя замену грунта, стабилизацию свойств грунта, пригрузку, переуплотнение и т.д.).

Одновременно с повышением модуля упругости должен быть обеспечен поверхностный водоотвод, что приведет в комплексе мероприятий к повышению сцепления грунтов.

При этом во II–III дорожноклиматической зоне надо начинать не с земляного полотна, а с увеличения прочности грунтов основания земляного полотна, добившись модуля упругости грунта не менее 30–40 МПа.

Перечисленные требования необходимо обеспечить не только в период строительства, но и, как говорилось выше, – в процессе эксплуатации в течение как минимум одного жизненного цикла автомобильной дороги.

Сегодня для каждой дорожноклиматической зоны (в том числе подзоны) и каждого типа грунта определены расчетные значения влажности, по которым назначаются расчетные характеристики грунтов. Многие значения очень низкие, что обуславливает необходимость устройства толстых дорогостоящих дорожных одежд.

Первая задача. Представляется целесообразным провести исследования, которые позволят теоретически обосновать и экспериментальным путем определить для каждой дорожно-климатической зоны эффективные способы обеспечения вышеприведенного требуемого модуля упругости различных грунтов земляного полотна, а также найти инженерные решения, позволяющие сохранить достигнутую работоспособность грунтов в процессе эксплуатации автомобильных дорог.

В связи с вышеизложенным необходимо оборудование, которое экспресс-методами сможет оценить прочностные и деформационные характеристики (в том числе модуль упругости) грунта как в период изысканий, так и непосредственно в процессе строительства, после улучшения его свойств.

В Российской Федерации для оценки свойств материалов основания дорожных одежд и подстилающих грунтов применяется метод сравнения плотности выемки грунта с плотностью того же грунта, полученной в лабораторных условиях с помощью прибора стандартного уплотнения СоюздорНИИ. Результатом сравнения является коэффициент уплотнения Ку. По данному методу оценки коэффициент будет определен минимум через сутки, когда изменить плотность грунта бывает сложно или уже невозможно. К тому же в некоторых случаях, например, для крупнообломочных грунтов или грунтов, улучшенных добавками каменного материала (например, щебня), коэффициент уплотнения лабораторным способом определить либо не представляется возможным, либо могут быть большие затруднения и погрешности.

Для определения коэффициента уплотнения применяют и электромагнитные приборы [3], однако их использование требует очень серьезной работы по тарировке для каждой грунтовой среды, для различных карьеров одинаковых грунтов и в разных дорожно-климатических зонах. При этом на практике погрешность в определении коэффициента уплотнения нередко превышает 5%.

Следует отметить, что коэффициент уплотнения или плотность грунта не позволяют оценивать долговечность земляного полотна, а также определить изменение свойств грунта в процессе эксплуатации автомобильной дороги.

В соответствии с требованиями ГОСТ 20276 характеристики прочности и деформируемости грунтов в полевых условиях определяют штампом, радиальным и лопастным прессиометрами, плоским дилатометром, срезом целиков грунта и вращательным срезом [4]. Упомянутый ГОСТ разработан для исследований грунтов при строительстве, однако он не предназначен для определения такой характеристики, как модуль упругости грунтов, которая является одной из определяющих при расчете дорожных одежд по критерию упругого прогиба.

Расчет дорожных одежд выполняют по ОДН 218.046-01 [2] по трем критериям прочности. Расчет по упругому прогибу является первоочередным при назначении характеристик слоев основания и подстилающего грунта. В нем в качестве основных входных параметров используются несколько величин:

• модули упругости слоев основания дорожной одежды и подстилающего грунта;
• толщины конструктивных слоев;
• диаметр отпечатка колеса (штампа).

Если нахождение последних двух исходных величин не вызывает трудностей, то контролирование на строительном участке первой характеристики является наиболее актуальной задачей, решение которой выглядит немного сложнее.

Устройство слоев основания дорожной одежды и подстилающих грунтов целесообразно контролировать по модулю упругости. Модуль упругости, установленный штамповыми испытаниями, должен соответствовать расчетному значению, принятому при проектировании дорожной одежды. В свою очередь, применяемая для этой цели методика выполнения традиционных статических штамповых испытаний [5] отличается сложностью и трудоемкостью. Это связано с монтажом тяжелого оборудования, потребностью в груженом автомобиле, специальной подготовкой грунтов к испытаниям (во избежание нарушения их ровности и уплотнения), затратами времени на изучение характера осадки, что не всегда приемлемо при сжатых сроках выполнения строительных работ. Поэтому в подобных случаях допускается применение динамических штамповых испытаний [6, 7, 8], которые позволяют при операционном и строительном контроле значительно быстрее оценить модуль упругости уложенного грунта. Но, к сожалению, для малогабаритных установок динамического нагружения отсутствует стандартизированная методика оперативного контроля путем сопоставления проектного и измеренного модулей упругости грунта.

Актуальность задачи обуславливается необходимостью контроля достигнутого в процессе строительства (например, в результате уплотнения) модуля упругости материалов слоев и подстилающего грунта путем сопоставления их с проектными значениями. Существенные расхождения в значениях могут приводить к различного рода деформациям, снижению долговечности покрытия, а также к последующему увеличению расходов на содержание.

Для измерения модуля упругости грунтов в настоящее время выпускаются малогабаритные установки динамического нагружения (рис. 1). Установка динамического нагружения снабжается подвижным грузом, при сбрасывании которого на амортизатор возникает динамическое усилие, которое через круглый штамп воздействует на контролируемый грунт.

Широкое распространение на территории России получил прибор ZFG немецкой фирмы Gerhard Zorn. Он позволяет определять модуль упругости дорожного основания по величине деформации грунта под действием импульса силы падающего груза.

В настоящее время в РФ созданы аналогичные приборы, максимально полно удовлетворяющие требованиям поставленной задачи – оперативного контроля модуля упругости грунтов земляного полотна. Эти приборы имеют ряд преимуществ перед импортными аналогами. Наиболее существенные конструктивные различия заключаются в наличии в отечественных приборах датчиков силы и перемещения. Использование датчика силы снимает многие ограничения, которые искусственно вводятся при использовании в измерениях так называемого среднего значения усилия, которое измеряется один раз на стенде и считается величиной постоянной.

Из отечественных установок для измерения модуля упругости наибольший интерес представляет ПДУ-МГ4 «Удар».

Отечественная установка (фото 1) характеризуется следующими показателями: 

• наличие тензометрического датчика силы позволяет проводить измерения силы удара с дискретностью менее 50 мкс;
• возможность изменения силы удара регулировкой высоты падения груза позволяет определять модуль упругости на слабых и неукрепленных грунтах;
• наличие стальной плиты динамического нагружения с диаметром 300 мм и толщиной 20 мм;
• диапазон измерений силы от 0,1 до 19 кН;
• диапазон измерения перемещения от 50 до 9999 мкм;
• пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения силы ± (0,01F + 20) Н;
• пределы допускаемой абсолютной погрешности измерения перемещения штампа, мкм (L – измеренное перемещение, мкм) ± (0,03L + 10) мкм;
• диапазон измерений модуля упругости 5...370 МПа;
• пределы допускаемой относительной погрешности измерения модуля упругости ± (0,024А+50/ А+2) %, где А – число, равное измеренному модулю упругости, МПа;
• максимальная высота падения груза 850 мм.

С этой установкой проведены опытно-экспериментальные работы в Санкт-Петербурге, на Смольной набережной (участок от Водопроводного переулка до Смольного проспекта).

Глубина воздействия нагрузки достигает в среднем трех диаметров штампа, то есть эффективность оценки деформационных свойств обследуемых грунтов составляет 90 см. По результатам экспериментальных работ установлено, что глубина вовлеченных в измерения модуля упругости слоев для однородного грунта – глины (модуль упругости 95 МПа) – достигает 1,3 м; песка (модуль упругости 110– 120 МПа) – 1,2 м; для щебеночных оснований – от 1,2 до 0,6 м; для слабых грунтов – 0,5 м.

Установлено, что если при проведении трех промежуточных измерений в одной точке выявляется большой диапазон результатов измерений, то необходимо изменить положение исследуемой точки для повторного испытания. Если при выполнении повторного испытания снова возникает большой диапазон результатов измерений – требуется выполнение мероприятий, представленных ниже.

В качестве рекомендаций по устранению выявленных несоответствий следует принимать следующее:

• в случае, когда по результатам выполненных измерений не достигнуто теоретических значений по модулю упругости, следует произвести дополнительное уплотнение грунта;
• если конструктивный слой представлен малосвязным грунтом, то перед уплотнением следует увеличить его влажность до оптимальной;
• если конструктивный слой обработан неорганическими вяжущими, то требуется либо увеличение процентного содержания в смеси связующего той же марки, либо изменение марки связующего в большую сторону, с последующим уплотнением.

Контроль модуля упругости следует вести после устройства каждого конструктивного слоя. Это позволит оперативно определять отклонения от проектных решений и своевременно вносить соответствующие изменения в процесс строительства.

Частота расположения точек исследований вдоль линейного объекта должна регламентироваться в соответствии с техническим заданием, но не реже чем через 10 м. В поперечном профиле – с шагом через 3–5 м.

В процессе устройства конструктивных слоев должна обязательно контролироваться их толщина. Контроль толщины может выполняться методом георадиолокации [9].

Вторая задача (без решения которой невозможно решить первую задачу). Для внедрения проанализированного метода в повседневную практику строительства автомобильных дорог представляется целесообразным выполнить экспериментальные работы с разными грунтами в разных дорожноклиматических зонах и на основе накопленного опыта разработать ПНТС «Автомобильные дороги общего пользования. Грунты. Методы определения модуля упругости малогабаритными установками динамического нагружения».

Разработка методики определения модуля упругости на базе отечественного оборудования удовлетворяет требованиям распоряжения Правительства Российской Федерации от 02.02.96 No132-р «Об обеспечении интересов отечественных товаропроизводителей, стабилизации работы промышленного комплекса и национальной экономической безопасности», а также курса политики по импортозамещению, взятого государством.

Литература

1. Кулижников А.М. Пути повышения межремонтных сроков службы автомобильных дорог //Дорожная держава. – 2016. – No 66. – С. 47–51.
2. ОДН 218.046-01. Проектирование нежестких дорожных одежд. Введ. 2001–01–01. – М.: ФГУП «Информавтодор», 2001. – 148 с.
3. ОДМ 218.3.059-2013. Методические рекомендации по использованию электромагнитных приборов для оперативного контроля качества уплотнения грунтов
4. ГОСТ 20276-2012. Грунты. Методы полевого определения характеристик прочности и деформируемости.
5. ОДМ 218.3.023-2012. Методические рекомендации по определению модуля упругости дорожной одежды с использованием статического жесткого штампа.
6. ОДМ 218.2.024-2012. Методические рекомендации по оценке прочности нежестких дорожных одежд.
7. СТО НОСТРОЙ 2.25.26– 2011. Строительство земляного полотна автомобильных дорог. Часть 4. Разработка выемок в скальных грунтах и возведение насыпей из крупнообломочных пород.
8. СТ СЭВ 5497-86. Дороги автомобильные международные. Определение несущей способности дорожных конструкций и их конструктивных слоев установкой динамического нагружения (УДН).

Все публикации
Архив по годам: 2006; 2008; 2013; 2015; 2016; 2018; 2019; 2020; 2021; 2022; 2023;