Практическая ценность работы состоит в разработке научно обоснованной методики определения реологических характеристик грунтов, содержащих крупнообломочную фракцию в своем составе, и выявлении минимально допустимых значений динамической вязкости грунтов, исходя из условий обеспечения безопасной работы ограждающих конструкций в межремонтные сроки службы покрытий автомобильных дорог.

На защиту выносятся

новая методика оценки динамической вязкости грунтов, содержащих более 10 % крупнообломочной фракции, ее теоретическое обоснование и практическая реализация;

результаты экспериментальных исследований по выявлению степени и характера влияния крупнообломочной фракции на компрессионные и реологические характеристики грунта;

результаты теоретического анализа особенностей развития во времени деформаций ползучести обочин дорожных насыпей с учетом крутизны их откосов;

обоснование рекомендаций по использованию в практике дорожного строительства минимально допустимых величин динамической вязкости грунтов, содержащих крупнообломочную фракцию, с учетом категории дороги, уровня капитальности покрытий и предельно допустимых деформаций ограждающих конструкций;

обоснование рекомендаций по использованию в практике дорожного строительства значения максимально допустимых скоростей осадок бровок откосов для практического мониторинга поведения конструкций дорожных насыпей и своевременного принятия превентивных мер по увеличению их стабильности в эксплуатационный период.

Апробация работы и публикации

Основные научные положения и результаты диссертационной работы докладывались автором на научно- методических и научно-исследовательских конференциях МАДИ (ГТУ) - 2006 - 2008, и по материалам диссертации опубликованы 3 печатные работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав и общих выводов. Основной текст диссертации содержит 153 стр. печатного текста, 47 рисунков и 10 таблиц. Библиография состоит из 37 наименований использованных литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение. Содержит обоснование актуальности темы диссертации, сформулирована ее цель, научная новизна и практическая значимость.

Первая глава диссертации содержит анализ опыта строительства и эксплуатации земляного полотна автомобильных дорог в сложных инженерно - геологических условиях. Отмечено, что при строительстве автомобильных дорог в условиях, отличающихся значительной пересеченностью рельефа местности, наличием крутых и часто оползневых природных склонов, земляное полотно по своим конструктивным параметрам не вписывается в рамки типового проектирования и характеризуется значительной (более 12 м) высотой насыпей и глубиной выемок, наличием различных удерживающих сооружений. Столь сложные инженерно- геологические условия строительства автомобильных дорог приводят к весьма частым отказам, связанным с нарушением устойчивости земляного полотна и разрушениями дорожных одежд, водоотводных, удерживающих и ограждающих конструкций.

В условиях, когда трасса характеризуется наличием последовательно чередующихся конструкций насыпей и выемок, в качестве основного строительного материала для отсыпки насыпей обычно используются покровные делювиальные грунты совместно с грунтом, полученным при разработке скальных или полускальных выемок. В этом случае на физико - механические характеристики грунтов значительное влияние оказывает наличие в их составе крупнообломочной фракции, которая, с одной стороны, увеличивает их сдвиговые характеристики (угол трения и сцепления), а с другой- повышает водопроницаемость и снижает тем самым сопротивляемость грунта противостоять его дополнительному увлажнению за счет инфильтрации атмосферных осадков в период эксплуатации дорожной конструкции.

Тем не менее использование этих грунтов в конструкциях земляного полотна еще не гарантирует их стабильность во времени. Часто и в этом случае, как показывает опыт эксплуатации автомобильных дорог Кавказа, Крыма, Таджикистана и других подобных регионов, дорожные конструкции подвергаются влиянию оползневых процессов.

Анализ показывает, что наиболее щадящей формой оползневых проявлений на автомобильных дорогах в этих условиях является форма, при которой происходит постепенная, растянутая во времени деформация опускания бровки откоса насыпей и искривление профиля обочин с нарастанием их поперечного уклона. Данное явление приводит к постепенному опусканию столбиков ограждающих конструкций, их высотному искажению и, в конечном счете, к потере ограждающей конструкции выполнять свою главную функцию: предотвратить возможный съезд автомобиля с насыпи. Однако недопустимое снижение высоты ограждения из- за опускания обочины насыпи существенным образом снижает безопасность движения за счет увеличения вероятности переворота транспортного средства через ограждающую конструкцию.

Характер развития подобных деформаций дает основание полагать, что основной причиной подобного поведения дорожной конструкции является проявление во времени реологических свойств грунтов. В связи с этим в данной главе были проанализированы существующие подходы к оценке прочностных и реологических свойств глинистых грунтов, а также и существующие методы оценки устойчивости откосов. Особое внимание было уделено анализу методов, которые позволяют осуществить прогноз развития во времени деформаций ползучести конструкций земляного полотна. Этот анализ показал, что для практической реализации предлагаемых методик необходимо знание величин динамической вязкости грунтов. В этой связи нами были рассмотрены существующие методы оценки динамической вязкости глинистых грунтов и возможность их применения для грунтов, содержащих крупнообломочную фракцию.

Наш анализ показал, что такие известные методики, как длительный сдвиг или метод “шарика”, не могут быть использованы по причине наличия в грунте в большом количестве скальных обломков. Существующую иногда практику, когда вязкие свойства определяют только на тонкодисперсной части грунта, отделяя скальные обломки, по нашему мнению, нельзя считать обоснованной, и ее можно распространить только на грунты, которые содержат не более 10 % крупнообломочной фракции.

В этой связи была сформулирована цель диссертационной работы и основные задачи ее достижения.

Вторая глава посвящена разработке теоретических основ методики оценки динамической вязкости крупнообломочных грунтов. Прежде всего в этой главе выполнен подробный анализ современных представлений о реологических моделях физических тел и глинистых грунтов. При этом отмечается, что в теории прогноза линейного деформирования во времени различных физических тел и глинистых грунтов в том числе, при воздействии на них касательных или нормальных напряжений от внешней нагрузки широкое распространение получил метод модельного отображения проявления реальных реологических свойств тел, исходящий из представления, что эти свойства определяются сочетанием упругих, вязких и пластических элементов.

Сочетая эти элементы в самых различных комбинациях, можно получить более сложную механическую модель, которая в большей или меньшей степени будет отвечать поведению реального физического тела, что, несомненно, способствовало широкому использованию механических моделей при решении тех или иных практических инженерных задач.

С учетом трудностей относительно невозможности проведения длительных испытаний на сдвиг образцов грунта, содержащего крупнообломочные скальные частицы, нам представлялось, что более перспективной является идея ускоренного испытания образцов грунта цилиндрической формы в условиях их одноосного сжатия на динамометрическом приборе. Принципиальная схема таких испытаний была ранее рекомендована С.С. Вяловым для определения длительной прочности глинистых грунтов.

на образец грунта во времени. Этот процесс в свою очередь автоматически вызовет снижение скорости ползучести грунта и т.д. Поскольку процесс релаксации напряжений протекает значительно быстрее процесса ползучести, то на испытания грунта в условиях динамометрической схемы нагружения требуется значительно меньше времени, чем на обычные испытания.

Привлекательность данной методики для проведения реологических исследований для грунтов, содержащих значительное количество крупнообломочной (>2 мм) фракции, заключается в том, что ее присутствие не мешает как процессу предварительного формирования образца цилиндрической формы для испытаний, который может иметь в принципе любые размеры (диаметр и высоту), так и процессу испытания, реализуемому в условиях одноосного сжатия.

. Тогда в схеме динамометрического прибора испытуемый грунт отвечает поведению вязкопластичной модели, состоящей из двух параллельно соединенных тел- пластичного тела Сен- Венана и вязкого тела Ньютона. В этом случае представлялось вполне очевидным, что последовательное соединение этих элементов (образец грунта) еще и с упругим элементом в виде пружины динамометра переводит всю систему в общую реологическую модель типа Бингама - Шведова.

уравнение релаксации имеет следующий вид:

) уменьшается в “e” раз, т.е. в 2,7 раза.

уменьшатся до нуля.

) и деформаций образца грунта осуществляется с помощью мессуры (7). Образцы грунта для исследований приготовлялись следующим образом. В качестве базового грунта был выбран суглинистый грунт со следующими характеристиками. Суммарное содержание частиц: песчаных- 55,0%, пылеватых- 32,8 %, глинистых- 13,6 %. Граница раскатки- Wp=19.9 %; граница текучести - WL=34.5 %; число пластичности Ip=14.6 %.

Рис.1. Динамометрический прибор одноосного сжатия

Грунт доводился до границы текучести и далее смешивался с гранитной дресвой (фракция 2...10 мм) в следующих пропорциях: 10; 20; 30 %. Затем полученные смеси загружались в цилиндры уплотняющего прибора и на них давалась нагрузка предварительного уплотнения, равная 0,05 МПа. После завершения процессов предварительного статического уплотнения во времени (консолидации) образцы помещались в динамометрический прибор. Для предотвращения подсыхания грунтовых образцов они заключались в полиэтиленовые пакеты.

В целях уточнения степени влияния крупнообломочной фракции на компрессионные свойства и конечное состояние испытуемых образцов грунта, особенно в части результирующей влажности тонкодисперсной (менее 2 мм) его составляющей, нами параллельно были проведены исследования и компрессионных их свойств. Результаты этих исследований представлены в форме зависимостей компрессионного модуля осадки ep [мм/м] от уплотняющей нагрузки на графике рис. 2.

Рис.2. Компрессионные кривые при различном

содержании фракции >2 мм (2...10 мм)

Его анализ показывает, что увеличение содержания крупнообломочной фракции сверх 10 % оказывает существенное влияние на величину компрессионной характеристики, а следовательно, и на сжимаемость грунта. Это влияние возрастает по мере увеличения процентного содержания крупнообломочной фракции и выражается в первую очередь в снижении сжимаемости грунта и возможности его необратимо уплотняться под воздействием постоянной статической нагрузки. Примечательно, что при наличии обломочных включений до 10 % компрессионные свойства грунта остаются неизменными, но они начинают изменяться, если количество этих включений увеличивается. Это обстоятельство в свою очередь означает, что по мере возрастания процентного содержания в грунте крупнообломочной фракции сверх 10 % конечная влажность его мелкодисперсной части должна неизбежно возрастать при той или иной постоянной уплотняющей нагрузке.

В самом деле, как показало их взвешивание, при содержании щебня до 10 % образцы потеряли в среднем 12 % влаги, а при 30 % содержании фракции 2...10 мм, эта потеря составила только 8,5 %. Если принять потерю влаги при содержании фракции 2...10 мм за 100 %, то относительная потеря влаги при наличии щебня 20 и 30 % составила соответственно 20,8 и 29,2 %, т.е. прослеживается обратная зависимость способности грунта отдавать воду при уплотнении с увеличением содержания в его составе крупнообломочной фракции.

Рис.3. Характер релаксации вертикальных напряжений ?, и рост деформаций образца во времени при содержании фракции 2...10 мм 20 %

В процессе исследований производились наблюдения за деформациями образцов и соответствующими им деформациями динамометрических пружин. Один из характерных результатов этих исследований представлен на рис.3, где даны кривые, описывающие релаксацию вертикальных напряжений, приложенных на образец грунта, и соответствующий характер деформирования этих образцов.

Анализ релаксационных кривых подобного вида (рис. 3), в частности, показал, что при любом содержании в образцах грунта крупнообломочной фракции 2...10 мм установившиеся напряжения в динамометрах не уменьшаются до нуля, а принимают некоторые конечные значения, величина которых возрастает по мере увеличения содержания в грунте крупнообломочной фракции 2...10мм. Если в исследуемом грунте содержится только 10 % крупнообломочной фракции, то наличие остаточных, нерелаксируемых напряжений, можно объяснить только набранной прочностью грунта после его предварительного уплотнения и ощутимой потери влаги.

Но по мере возрастания содержания в грунте крупнообломочной фракции 2...10 мм происходит увеличение ее влияния на достижимую конечную влажность грунта при его предварительном уплотнении, и поэтому увеличение значений остаточных напряжений объясняется наличием все усиливающейся роли скелетного каркаса, который все в большей и большей степени начинает воспринимать внешние напряжения, несмотря на возрастающую влажность мелкодисперсной составляющей грунта.