Прогноз ползучести обочин дорожных насыпей и деформаций ограждающих конструкций с учетом в составе грунта обломков скальных пород

Актуальность темы

Практика строительства и эксплуатации автомобильных дорог свидетельствует, что весьма часто дорожные насыпи, параметры которых выходят за пределы типовых конструкций, испытывают во времени недопустимые деформациикоторые приводят в конечном итоге к преждевременному разрушению дорожных одежд и существенному увеличению ежегодных финансовых затрат на ремонт и содержание автомобильных дорогах, строительство и эксплуатация которых часто ведется в сложных инженерно — геологических условиях отличающихся наличием-в первую очередь оползневых склонов, слабых оснований, грунтов повышенной влажности, высоких насыпей и глубоких выемок и т. п.

Анализ показывает, что одной из причин неблагоприятного поведения конструкций насыпей является склонность глинистых грунтов, используемых для отсыпки насыпей, к развитию деформаций ползучести, которые проявляются не сразу после завершения строительства, а развиваются во времени постепенно. Прогноз интенсивности развития этих деформаций во времени и их своевременный учет при эксплуатации дорожной конструкции может быть в настоящее время успешно реализован, но лишь при возможности предварительной оценки физикомеханических и, особенно, реологических свойств грунтов земляного полотна.

Однако, при строительстве автомобильных дорог в горных условиях для отсыпки насыпей используются, как правило, покровные делювиальные грунты или грунты, получаемые в результате разработки выемок. В том и другом случае грунты часто характеризуются наличием в своем составе значительного количества включений обломков скальных пород, существенно влияющих на их геотехнические свойства. Присутствие в грунтах крупнообломочной фракции не только существенно меняет их свойства и технически осложняет проведение инженерно — геологической оценки их физико — механических свойств в лабораторных условиях, но и практически полностью исключает возможность использования существующих методик для оценки реологических их характеристик, и в первую очередь динамической вязкости.

В этой связи, с учетом ранее выполненных исследований в области прогноза деформаций ползучести земляного полотна, оценки их реологических свойств и особенностей поведения крупнообломочных грунтов, представлялось целесообразным в рамках данной диссертационной работы, разработать методику оценки динамической вязкости глинистых грунтов, содержащих в своем составе крупнообломочную фракцию, изучить особенности развития во времени деформаций сдвиговой ползучести обочин дорожных насыпей и определить допустимые величины динамической вязкости, исходя из категории автомобильной дороги, типов покрытий и межремонтных сроков их службы.

Научная новизна работы. Диссертация развивает положения научных исследований, относящихся к области изучения процессов длительной деформируемости конструкций дорожных насыпей во времени за счет сдвиговой ползучести глинистых грунтов.

В диссертации, применительно к прогнозу ползучести обочин дорожных насыпей, впервые:

1. теоретически обоснована и практически реализована методика оценки динамической вязкости грунтов, содержащих более 10% крупнообломочной фракции;

2. экспериментально выявлена степень влияния на (период релаксации) реологические характеристики;

3. установлены особенности развития во времени деформаций ползучести обочин дорожных насыпей с учетом крутизны ее откосов;

4. установлена взаимосвязь величины динамической вязкости грунтов, категории дороги, уровня капитальности покрытий и предельно допустимых деформаций ограждающих конструкций.

Достоверность научных положений, выводы и рекомендаций обоснована:

— теоретическим анализом особенностей предлагаемой методики оценки реологических свойств грунтов и условий ее применения;

— результатами экспериментальных исследований грунтов в условиях их испытаний на релаксацию;

— теоретическим анализом характера развития деформаций ползучести обочин и ограждающих конструкций и результатами прогноза деформаций ползучести реального объекта на автомобильной дороге.

Практическая ценность работы. 1. Разработана упрощенная экспериментальная методика определения динамической вязкости глинистых грунтов, содержащих в своем составе крупнообломочную фракцию.

2. Предложена методика определения сроков ремонта ограждающих конструкций.

Апробации работы. Отдельные фрагменты диссертации были доложены автором на научно — исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ) в 2005 — 2008 г. г.

Объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка использованной литературы.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Анализ опыта эксплуатации автомобильных дорог в горных условиях показывает, что весьма часто конструкции насыпей испытывают длительные деформации, которые развиваются во времени постепенно и захватывают бровку откоса, а затем обочину, ограждающие конструкции и края-дорожных одежд, что приводит в конечном. итоге к их разрушению и снижению безопасности движения-автотранспортных средств.

2. Одной из причин неудовлетворительной работы-земляного полотна в период его. эксплуатации является несовершенство существующих методов оценки реологических характеристик грунтов. Использование для отсыпки насыпей в этих условиях покровных делювиальных грунтов или грунтов скальных выемок, содержащих значительное (более 10%) количество крупнообломочного скального материала, практически полностью, исключает возможность оценки их реологических характеристик с применением таких распространенных методик, как «длительный сдвиг» или «шариковая проба» из — за существенного влияния на получаемые результаты скальных обломков.

3. Невозможность оценки реологических характеристик подобных грунтов и, в первую очередь их динамической вязкости, в свою очередь затрудняет применение в практическом плане существующих теоретических методов прогноза и учета опасности развития во времени подобных деформаций земляного полотна.

4. Обобщение накопленного опыта в. области изучения прочностных и реологических свойствглинистых грунтов и методик их определения показал, что применительно к оценке' динамической вязкости грунтов, в составе которых находитсязначительное (более 10%) количество обломков крупнообломочной фракции, в наибольшей степени1 подходит схема релаксационного деформирования образца грунта в условиях его одноосного динамометрического сжатия, предложенная ранее С. С. Вяловым применительно к более общему случаю ускоренного изучения особенностей ползучести глинистых грунтов вообще при переменных внешних нагрузках.

5. Выполненный нами теоретический анализ показал, что применительно к данной схеме испытания «грунтовый образец плюс пружина динамометра» можно* рассматривать как единый неразрывный комплекс, для характеристики поведения которого во времени может быть применена обобщенная реологическая модель типа Бингама — Шведова, в которой грунт представлен вязкопластическим телом при параллельном соединении элементов сухого трения Сен — Венана и вязкого тела Ньютона. Данное допущение позволяет, используя уравнение релаксации напряжений реологической модели Бингама — Шведова, по полученной в опыте величине периода релаксации напряжений Trei и исходя из известной жесткости-пружины, определить искомую динамическую вязкость грунта.

При этом жесткость пружины следует назначать исходя из предельно возможных абсолютных деформаций образца1 грунта в условиях его одноосного допредельного нагружения вертикальной нагрузкой.

6. Изучение особенностей компрессионных свойств глинистых грунтов показало, что их компрессионная сжимаемость уменьшается, если содержание крупнообломочной фракции (2. 10 мм) превышает 10% по весу. При этом влажность тонкодисперсной его части к моменту завершения процессов компрессионного уплотнения (консолидации) увеличивается.

7. Экспериментальные исследования характера релаксации напряжений на динамометрическом приборе показали, что остаточная (пороговая)" нерелаксирующая часть напряжений увеличивается, а релаксирующая наоборот, уменьшается с увеличением содержания в грунте частиц крупнообломочной фракции. При этом для образцов грунта с нулевым или 10% - ным содержанием обломков величина остаточных напряжений обусловливается только прочностью тонкодисперсной составляющей, которую она приобрела при предварительном уплотнении.

При большем содержании обломков величина остаточных напряжений обусловлена все возрастающей ролью скальных обломков, формирующих все более и более жесткий и менее деформируемый скелетный каркас.

8. Величина динамической вязкости грунтов при увеличении содержания в гранулометрическом составе крупнообломочной фракции от 10 до 30% возрастает на порядок, несмотря на возрастание влажности его тонкодисперсной составляющей, что свидетельствует о превалирующей роли жесткости скелетного каркаса.

9. Изучены особенности развития прогнозируемых деформаций ползучести обочин дорожных насыпей, и определены минимальные допускаемые величины динамической вязкости грунтов насыпей, при которых деформация ограждающих конструкций не превышает их допускаемых значений с учетом категории автомобильной дороги, типа покрытия и межремонтного срока его службы .

10. Найденные величины динамической вязкости исследуемых грунтовсодержащих крупнообломочную фракцию в количестве 10.30%, находятся в пределах а-10п.а-1012 Па-с, что оказывается не менее допускаемых величин вязкости, свидетельствуя о реальных возможностях разработанной методики динамометрического испытания грунтов.

Для возможности ориентировочного контроля нивелировкой темпов ползучести обочин в период эксплуатации автомобильной дороги получены значения допустимых величин скоростей ползучести бровок откосов насыпей, учитывающих категорию дороги, капитальность ее покрытия и сроки службы до капитального ремонта.