Автореферат (Обоснование границ дорожно-климатических зон и расчетных характеристик крупнообломочных грунтов при проектировании дорожных одежд в условиях Республики Таджикистан), страница 3

суглинок –земполотно95,3 / 54,617,9 / 14,518,8 / 26,582,2 / 44,0Примечание. В числителе даны значения модуля упругости, в знаменателе– значения модуля деформации.Учитывая большое многообразие крупнообломочных грунтов погранулометрическому составу и значительные трудности экспериментальногоопределения расчетных характеристик, обусловленные малыми размерамииспытательной аппаратуры (сдвиговые приборы, стабилометры и др.) иразмерамичастицкрупнообломочныхфракций,быловыполненоматематическое моделирование деформации блока крупнообломочного грунта впрограммном комплексе PLAXIS. С помощью данной программы былипроведены исследования влияния количества крупнообломочной фракции(частицы размером более 2мм) на деформационные характеристики грунтов.

Порезультатам моделирования определяли осадку блока грунта размером 1,0х1,0 мпод воздействием статической нагрузки при различном содержаниимелкоземного заполнителя (супесь, суглинок, глина) и обломков скальнойпороды того или иного размера (рисунок 4).13Относительная деформация,мм14.012.010.08.06.04.02.00.0y = -0.1158x + 12.54R² = 0.9989302010y=00.0041x2- 0.0606x + 9.5048R² = 0.99331020304050607080Количество крупнообломочной фракции в грунте, % по объему0Модуль деформации, МПаа)б)в)Рисунок 4.

Модель крупнообломочного грунта: а) модель грунта присодержании 50% обломков скальной породы под равномерно распределеннойнагрузкой 0,5 МПа; б) сетка конечных элементов; в) изополя вертикальныхперемещенийПри этом установлено, что зависимость осадки блока грунта подвоздействием статической нагрузки от процентного содержания крупныхобломков носит линейный характер, а зависимость модуля упругости от этогофактора – нелинейный (рисунок 5).Общая относительная деформация, ммМодуль деформации, МПаЛинейная (Общая относительная деформация, мм)Рисунок 5.

Зависимость величины относительной деформации и модулядеформации грунтового образца от содержания крупных обломков скальнойпородыУвеличение количества обломков скальной породы при той же влажностизаполнителя (супесь, суглинок и глина) приводит к росту модуля упругостигрунта. При их незначительном содержании (до 30%) нагрузка в основномвоспринимается заполнителем, так как крупные обломки не контактируют другс другом, а как бы «плавают». При содержании обломков более 30% начинается14постепенное возрастание величины модуля упругости крупнообломочныхгрунтов. Данная закономерность изменения носит параболический характер.Аналогичные результаты были получены при теоретическомрассмотрении деформирования блока крупнообломочного грунта (рисунок 6),условно состоящего из двух слоев.

Верхний слой толщиной, равнойотносительному суммарному объему крупнообломочной фракции (скелета) вгрунте, а другой – толщиной равной относительному суммарному объемумелкоземного заполнителя.ℎ1 и ℎ2 – переменныеРисунок 6. Расчетная схема неоднородного грунта, приведенная кдвухслойной конструкцииМодуль общей деформации грунта можно вычислить по формуле: = ∆ℎ ℎ .(4)Общая деформациядвухслойной конструкции∆ℎ равна суммедеформаций верхнего и нижнего слоев:∆ℎ = ∆ℎ1 + ∆ℎ2 .

(5)Общая деформации рассматриваемой двухслойной конструкции зависитот модуля упругости и толщины каждого слоя (скелет и заполнитель). Этопозволяет уравнение (5) представить в виде:∆ℎ =1ℎ1 +2ℎ2 = (ℎ11+ℎ22ℎ1 2 +ℎ2 1) = (1 2).(6)Для нахождения значений толщины каждого слоя примем ℎ1 = ℎ, тогдаℎ2 = (1 − )ℎ, где = 0,1; 0,2; … 1,0. Исходя из этого, деформация двухслойнойконструкции составит:∆ℎ = [2 +(1−)11 2]ℎ = [1+(1−)2]ℎ .(7)15Тогда формулу (4) для вычисления модуля деформации материаладвухслойной конструкции с учетом вычисленной общей деформации можнопредставить в виде:1 2.1 (1−)+2 = (8)Таким образом, результаты математического моделирования итеоретического анализа деформационных характеристик крупнообломочныхгрунтов свидетельствуют о наличии линейной зависимости относительнойосадки грунтового массива от содержания обломков скального грунта инелинейной зависимости модуля деформации (упругости) от соотношениякрупнообломочного грунта и мелкоземного заполнителя.

Аналогичныерезультаты получены и при обработке ранее выполненных в этой областиисследований Э.М. Доброва.В четвертой главе представлены результаты исследованийинтенсивности движения и общих модулей упругости эксплуатируемыхдорожных одежд в условиях Республики Таджикистан, расчетныехарактеристики крупнообломочных грунтов на основании выявленных базовыхзакономерностей изменения их деформационных свойств и пример примененияполученных результатов работы при расчете дорожных одежд.С целью обоснования предложенного дорожно-климатическогорайонирования был выполнен его сравнительный анализ с районированием,представленным в нормативных документах (таблица 3).Таблица 3Соотношение нормативных и предлагаемых дорожно-климатических зонРеспублики ТаджикистанДорожно-климатическая зонаВысота местности№над уровнем моря,по нормативномупо результатамп/пмдокументуисследования1до 500VV2500 – 1000VV31000 – 1500IVV41500 – 2000III и IVIV и V52000 – 2500IIIIV62500 – 3000II и IIIIV73000 – 4500*I и IIIII8более 4500–II– согласно нормативному документу ГНиП РТ 32-02-2012«Автомобильные дороги», все участки, расположенные на отметках свыше3000 м над уровнем моря, относятся к I и II дорожно-климатическим зонам.*16Анализ данных таблицы 3 свидетельствует, что разделение территориистраны на дорожно-климатические зоны (ДКЗ) в нормативном документе –ГНиП РТ 32-02-2012 выполнено с большим запасом прочности при расчетеконструкций дорожных одежд по критерию упругого прогиба за счет величинымодуля упругости грунтов земляного полотна.

Отнесение всех участков,расположенных на высотных отметках 2000 – 2500 м над уровнем моря, к III ДКЗприводит к выбору заниженных расчетных характеристик грунтов по сравнениюс данными для IV ДКЗ. При назначении ДКЗ на один уровень (1 зону) ниже(вместо III ДКЗ назначить II ДКЗ) расчетный модуль упругости грунтауменьшается в среднем на 10%, в результате чего возникает необходимостьувеличения толщины слоев основания дорожных одежд.При расчете конструкций дорожных одеждпо критериюсдвигоустойчивости модуль упругости асфальтобетона и других материалов,содержащих органическое вяжущее, назначается по расчетной температурепокрытия, который зависит от ДКЗ. В случае назначения III ДКЗ вместо IV ДКЗмодуль упругости асфальтобетона в зависимости от марки применяемого битумаувеличивается в среднем на 50%.

Неточное назначение величины модуляупругости по критерию сдвигоустойчивости, приводит к образованию колеи идругих видов деформации покрытия автомобильных дорог.Для получения расчетных характеристик крупнообломочных грунтовнеобходимо было иметь данные как о расчетных характеристиках мелкоземныхгрунтов, так и значения деформационных и прочностных показателейкрупнообломочных грунтов, содержащих более 70% скального материала.Расчетные характеристики грунтов заполнителей выбирали согласнонормативному документу МОДН 2-2001, полагая, что расчетные значения будутсоответствовать самым неблагоприятным расчетным периодам.В качестве расчетных значений деформационных характеристик скальныхгрунтов приняты нормативные значения модуля упругости гравийных смесей С5– с наибольшим размером частиц 40 мм.

Расчетные значения угла внутреннеготрения и удельное сцепление, приняты в расчете в соответствии с таблицей 12типовыхконструкций«Дорожныеодеждыавтомобильныхдорогпромышленных предприятий» (М., Госстрой СССР, 1986, серия 3.503.9-72),разработанных институтом Промтрансниипроектом.При определении расчетных значений модулей упругости для каждойразновидности грунтов с учетом количества обломков скального материалабыли построены графики с полиномиальной функцией по трем фиксированнымколичествам обломков в грунте.

На рисунке 7 приведен один из графиков.Модуль упругости, МПа1724022020018016014012010080604020y = 0.03x2 - 0.5x + 108y = 0.0348x2 - 0.5762x + 90y = 0.0395x2 - 0.6524x + 72y = 0.0424x2 - 0.5381x + 50y = 0.0456x2 - 0.6345x + 41y = 0.0473x2 - 0.6512x + 3401020304050Количество обломков скальных пород, %при W/Wm=0.50при W/Wm=0.60при W/Wm=0.70Полиномиальная (при W/Wm=0.50)Полиномиальная (при W/Wm=0.60)Полиномиальная (при W/Wm=0.70)6070при W/Wm=0.55при W/Wm=0.65при W/Wm=0.75Полиномиальная (при W/Wm=0.55)Полиномиальная (при W/Wm=0.65)Полиномиальная (при W/Wm=0.75)Рисунок 7.

Зависимость модуля упругости легкого суглинка, тяжелогосуглинка и глины от процентного содержания крупных обломков при разныхзначениях относительной влажностиДалее, на основании полученных корреляционных уравнений былирассчитаны величины модулей упругости для грунта, содержащего заданноеколичество скального материала. Данная последовательность операций былаприменена и для расчета модулей упругости грунтов при различных значенияхотносительной влажности исходного грунта, в результате чего было получено40 графиков с полиномиальными функциями, что позволило предложитьрасчетные характеристики грунтов, приведенные в таблице 4.Таблица 4Рекомендуемые расчетные значения модулей упругости связных грунтов присодержании обломков скальных пород (со степенью растворимости в воде ≤ 0,01)Грунт1ПылеватыйпесокКоличествоМодуль упругости грунта, при относительной влажностиобломков/ , МПаскальныхпородв0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95грунте, %23456789101112˂ 159690847872666054484315 – 3010195898377726663575230 – 5012812311811310910510199959050 – 70183181179177175173172171170168˃ 70220220220220220220220220220220181ЛегкаясупесьПылеватаясупесь,тяжелаяпылеватаясупесь23456789101112˂ 157060565349454342414015 – 307566646258545251505030 – 50107101999895929089898950 – 70174172171171170169168167167167˃ 70220220220220220220220220220220˂ 1510890725446383227262515 – 3011295776355474237373630 – 501361231099993878279797850 – 70186181175171169166165163163163˃ 70220220220220220220220220220220Модуль упругости, МПаПолученные данные (таблица 4) позволили построить зависимости модуляупругости некоторых разновидностей грунтов от их относительной влажностипри разных содержаниях крупных обломков скальной породы (рисунок 8).2402202001801601401201008060402000.50.550.60.650.70.750.80.850.90.95Относительная влажность, W/Wт15-30%менее 15%30-50%50-70%более 70%Полиномиальная (менее 15%)Полиномиальная (15-30%)Полиномиальная (30-50%)Полиномиальная (50-70%)Линейная (более 70%)Рисунок 8.

Зависимость модуля упругости пылеватой супеси и тяжелойпылеватой супеси от относительной влажности при разном содержаниикрупных обломковИз анализа графиков (рисунок 8) следует, что в зависимости от видакрупнообломочного грунта диапазон его чувствительности к относительнойвлажности оказывается разным. Так, для грунта с легкой супесью изменениевлажности сказывается, если количество обломков не превышает 50%. Для19Угол внутреннего трения, градостальных разновидностей грунтов, приведенных в таблице 4, этазакономерность наблюдается вплоть до 70% содержания обломков скальнойпороды и в большинстве случаев имеет нелинейный характер.Аналогичным методом были установлены расчетные значения сдвиговыххарактеристик грунтов (φ, c) в зависимости от процентного содержания крупныхобломков и суммарного числа приложений нагрузки (таблица 5).Для установления сдвиговых характеристик грунтов при различныхзначениях относительной влажности потребовалось построить более 100графиков с полиномиальными функциями.

На рисунке 9 приведены некоторыепримеры полученных зависимостей.50y = 0.0042x2 + 0.0083x + 2445y = 0.0049x2 - 0.0131x + 2040y = 0.0061x2 - 0.0321x + 14.535302520y = 0.0065x2 - 0.0298x + 1115y = 0.0061x2 + 0.0179x + 910501020304050Количество обломков скальных пород, %при 1 автомобилепри 10^4 автомобилейпри 10^6 автомобилейПолиномиальная (при 10^3 автомобилей)Полиномиальная (при 10^5 автомобилей)6070при 10^3 автомобилейпри 10^5 автомобилейПолиномиальная (при 1 автомобиле)Полиномиальная (при 10^4 автомобилей)Полиномиальная (при 10^6 автомобилей)Рисунок 9. Зависимость угла внутреннего трения суглинистых и глинистыхгрунтов от процентного содержания крупных обломков при разных количествах приложений нагрузки (при относительной влажности /Т = 0,60)Из анализа представленных функций (рисунок 9) следует, чточувствительность угла внутреннего трения грунтов, содержащих обломкискальных пород, к числу приложений нагрузки падает с увеличением ихколичества.Более обоснованные конструкции дорожных одежд, применительно дляусловий Таджикистана, можно получить, используя приведенные в таблицах 4 и5 рекомендуемые расчетные характеристики крупнообломочных грунтовземляного полотна, позволяющие повысить эффективность инвестиционнойдеятельности и сократить сроки строительства.20Таблица 5Рекомендуемые расчетные значения сдвиговых характеристиксуглинистых и глинистых грунтов при содержании обломков скальных пород(со степенью растворимости в воде ≤ 0,01)Расчетнаяотносительнаявлажность,д.ед.