УДК 625.7/.8:624.154

Технические науки/4. Транспорт

Канд. техн. наук, профессор Б.С. Юшков, аспирант А.А. Дегтярь

Пермский государственный научно-исследовательский политехнический университет

УСИЛЕНИЕ МОДУЛЯ ДЕФОРМАЦИИ СЛАБОГО ГРУНТОВОГО ОСНОВАНИЯ АВТОМОБИЛЬНОЙ ДОРОГИ

---

В статье рассмотрен вариант применения двухконусных пустотелых свай в дорожном строительстве, а именно для насыпей, устраиваемых на сезоннопромерзающих пучинистых грунтах. Сообщается о разработанной конструкции земляного полотна с использованием двухконусных пустотелых свай, совместно с пространственной георешеткой.

Ключевые слова: двухконусные пустотелые сваи, пространственная георешетка, морозное пучение, слабые грунты, дорожная насыпь.

---

Значительные территории Российской Федерации характеризуются продолжительным зимним периодом и значительной глубиной промерзания грунтов. Развитие отдаленных и северных районов страны, которые богаты полезными ископаемыми и энергетическими ресурсами требуют строительства новых автомобильных дорог. Преобладающими грунтами северных районов страны представлены слабые водонасыщенные глинистые сезоннопромерзающие пучинистые грунты, что приводит к их использованию в качестве грунтового основания. При строительстве дорог в таких районах необходимо решать ряд задач по обеспечению ими прочности, устойчивости и долговечности, без потери несущей способности при эксплуатации.

Выполнение планов дорожного строительства неразрывно связано с повышением качества работ. Это может быть достигнуто путем улучшения проектных решений, направленных на всестороннее удовлетворение требований с точки зрения экономичности, безопасности и комфортабельности автомобильных перевозок, при снижении стоимости строительства и рациональной его организации.

В данной статье рассматривается пример строительства автомобильной дороги, в основании насыпи которой залегают слабые водонасыщенные глинистые сезоннопромерзающие пучинистые грунты. При такой конструкции земляного полотна по нормативной литературе слабый водонасыщенный глинистый грунт удаляют (а с примесями торфа выторфовывают) песчаным грунтом, обладающим высоким коэффициентом фильтрации и малой высотой капиллярного поднятия. Такая конструкция земляного полотна с заменой слабого грунта (с полным выторфовыванием) приведена на рис. 1.

Рис. 1. Насыпь с полным выторфовыванием

Для снижения стоимости и сроков строительства автомобильной дороги на слабых водонасыщенных глинистых сезоннопромерзающих пучинистых грунтах было разработано новое конструктивное решение. Его особенностью является устройство насыпи не с заменой слабого грунта, а с передачей нагрузки от веса насыпи на коренные породы через двухконусные пустотелые сваи (рис. 2), разработанные на кафедре «Автомобильные Дороги и Мосты» Пермского национального исследовательского по литехнического университета (ПНИПУ) [1,2].

Двухконусные пустотелые сваи представляют собой полую конструкцию, имеющую конусность в сторону острия и головы сваи, выполненную центрифугированием.

Длина работающей в талом грунте нижней части сваи, определяющая ее несущую способность, рассчитывается согласно «Рекомендациям по применению полых конических свай повышенной несущей способности», дополняющим требования [3].

Нижняя конусная часть сваи несет всю нагрузку от движения транспорта и собственного веса насыпи. По результатам исследований, проведенных кафедрой «АДМ» ПНИПУ, а также экспериментов проф. А.Б. Пономарева, можно заключить, что конусность нижней части сваи увеличивает несущую способность по сравнению с призматической. Таким образом, при применении коротких свай с конусностью результат будет аналогичным как в случае с более длинной призматической сваей.

Верхняя конусная часть обеспечивает существенное сопротивление силам морозного пучения. По результатам экспериментов, проведенных К.А. Хамидуллиным [4], оптимальный угол сбега составляет 2°, верхняя конусная часть составляет 0,7h_пром (где h_пром – глубина промерзания). Однако, эти данные были получены при исследовании работы ромбовидной сваи в сильносжимающихся пучинистых грунтах. При проведении исследований работы двухконусной сваи в пучинистых грунтах была уменьшена верхняя часть сваи до 1,26 м и увеличен угол сбега до 4° [2], что позволило максимально направить равнодействующую нормальных сил пучения грунта навстречу касательным и тем самым нейтрализовать воздействие последних на сваю (до 40 %).

Был выполнен расчет морозного пучения двухконусных пустотелых свай в пучинистых грунтах при промерзании. На рис. 3 приведена расчетная схема силового воздействия замерзающего грунта при образовании ледяных кристаллов в зоне сезоннопромерзающего грунта. Уравнение устойчивости двухконусной сваи в пучинистом грунте имеет вид:

, (1)

где

сила, с которой свая удерживается в грунте;

– несущая способность нижней части двухконусной сваи, определенная по формуле 8 [3].Также можно определить по формуле профессора А. Б. Пономарева для конической сваи (формула (4.3), [5]);

и – вертикальные составляющие нормального давления морозного пучения грунта, на плоскости верхнего и нижнего конуса соответственно;

К – коэффициент, учитывающий снижение действия сил морозного пучения грунта по глубине при сезонном промерзании[2]:

К=

значение функции Макдональда, где:

коэффициент периодичности;

расчетная глубина промерзания, м;

средний по глубине промерзания радиус верхнего конуса двухконусной сваи, м;

– площадь боковой поверхности верхней части двухконусной сваи;

– площадь боковой поверхности нижней части двухконусной сваи, находящейся в пучинистом грунте.

Рис. 3. Расчетная схема силового воздействия замерзающего грунта:

нормативная глубина промерзания; длина верхней части сваи (верхнего конуса); углы сбега, соответственно верхнего и нижнего конусов; геометрические характеристики сваи, соответственно радиусы оголовка и перехода конусов сваи; нормальное давление морозного пучения грунта; – вертикальная составляющая нормального давления морозного пучения грунта

С помощью формул элементарной математики и некоторых преобразований была составлена система уравнений и приведено уравнение морозного пучения двухконусных пустотелых свай (1) в более подробный вид:

;

;

(2)

где

и геометрические характеристики сваи, соответственно радиус оголовка и радиус сопряжения плоскостей верхнего и нижнего конусов сваи;

и углы сбега, соответственно верхнего и нижнего конусов;

нормативная глубина промерзания;

коэффициент промерзания грунта, устанавливается экспериментально и зависит от природно-климатических условий зоны, в Пермском крае равен 0,7 (по экспериментальным данным).

Для правильной оценки сил морозного выпучивания двухконусных свай был произведен переход от условия полного прилипания на грани верхнего конуса сваи к условию скольжения грунта по свае, т.е. касательные к поверхности контакта напряжения достигают своего предельного значения :

(3)

при этом

где

перемещения по грани верхнего конуса;

перемещения по осям r и z соответственно (r и z – оси в цилиндрической системе координат; ось r направлена по радиусу перехода конусов сваи; ось z направлена по оси симметрии сваи);

касательные к поверхности контакта напряжения;

предельное значение сцепления грунта с поверхностью сваи (меньшее из двух сцеплений «непучинистый грунт – свая» или «непучинистый грунт – пучинистый грунт»).

С учетом (3) сила морозного пучения определяется как:

(4)

где

– расчетная глубина промерзания.

Практически, чтобы добиться скольжения грунта по грани верхнего конуса нужно заполнить щель, образующуюся при забивке сваи между верхним конусом и естественным грунтом, рыхлым непучинистым грунтом (песком, гравием).

При создании между верхней конической частью и естественным грунтом прослойки из песчано-гравийной смеси средний подъем двухконусной сваи за зимний период 2004-2005 гг. составил 0 мм = 0,9 кН), за зимний период 2005-2006 гг. – 0,9 мм (= 0,7 кН).

Расчет несущей способности двухконусной сваи проводится по приведенной в [3] формуле, без учета верхнего конуса (не принимая во внимание трение грунта по боковой поверхности верхнего конуса):

(5)

Сопоставление экспериментальных и расчетных данных несущей способности показывает следующие расхождения: для призматической сваи – 3,0 %, для двухконусной – 7,3 % и для конической – 1,8 %.

Придание верхней части сваи «отрицательного» (по отношению к силам трения грунта по боковой поверхности сваи) наклона позволяет направить равнодействующую нормальных сил пучения грунта навстречу касательным и тем самым нейтрализовать воздействие последних на сваю (до 40 %).

Из изложенного выше следует, что отличительной особенностью данных свай является устойчивость к воздействию морозного пучения, благодаря уникальной форме их конструкции, т.е. они не меняют своего проектного положения в отличие от призматических свай, выпор которых ежегодно составляет 6-10 см, что делает дорогу не проезжей. Поэтому призматические сваи не применялись при возведении дорог на слабых водонасыщенных сезоннопромерзающих пучинистых грунтах. Данная проблема может быть решена путем применения двухконусных пустотелых свай. Конструкция земляного полотна на сваях не будет создавать препятствие проходу грунтовых вод с нагорной стороны и, тем самым, не активизирует процессы заболачивания, а в зимний период при отрицательных температурах – процессы, способствующие образованию наледей с нагорной стороны и потере несущей способности дорожной конструкции. Новое конструктивное решение земляного полотна с применением двухконусных пустотелых свай приведено на рис. 4.

Рис. 4. Насыпь на двухконусных пустотелых сваях

Однако применение только двухконусных пустотелых свай в данном случае не достаточно. Для равномерного распределения и снижения напряжений на слабый грунт между рядами свай в продольном направлении дороги в основании насыпи необходимо уложить георешетку типа «СТ» (рис. 5). Благодаря этому образуется композитный слой «георешетка+заполнитель» (в качестве заполнителя в данном случае выступает грунт насыпи либо сыпучий или зернистый материал), обладающий более высокими механическими свойствами по отношению к насыпи слоя за счет:

- увеличения модуля упругости в результате высокой собственной жесткости георешетки «СТ» при ее сжатии, а также ограничения горизонтальных деформаций материала заполнителя под нагрузкой до 35%;

- повышения допустимой нагрузки на слабое основание, снижения неравномерности его осадки, вызываемой постоянной (вес насыпи) или временной нагрузкой в результате мембранного эффекта до 40%;

- повышения общей устойчивости грунтового массива в результате восприятия композитным слоем растягивающих напряжений в зоне поверхности скольжения на 20-60%.

Рис. 5. Пространственная георешетка типа «СТ»

Пространственная георешетка типа «СТ» повышает значение модуля упругости слоя «георешетка + заполнитель». Величину повышения модуля упругости принимаем в соответствии с экспериментальными данными, полученными по специальной методике (штамповые испытания на поверхности слоя «георешетка+заполнитель», создаваемого на грунтовом основании). Ориентировочные значения коэффициента повышения модуля упругости этого слоя К_а в зависимости от модуля упругости заполнителя Е_з приведены на рис. 6 (по данным НИИМ МАДИ ГТУ).

При укладке георешетки в основании насыпи среднее снижение осадки (разницы осадок по оси рядов свай и серединой между смежными рядами свай) составляет 15 %, а при расчете периода консолидации требуемая степень консолидации U_тр снижается до значения U’_тр = 0,84 U_тр. Данное значение принято согласно [6].

В конструкции насыпи предложено применение неперфарированной георешетки марки «СТ» размером ячейки 20х20 см, высотой h = 20 см.

Рис. 6. Зависимость коэффициента (К_а) повышения модуля

упругости слоя «георешетка + заполнитель» (Е_г+3) от модуля

упругости слоя заполнителя (Е₃); Е_г+з = К_а * Ез

Эффективность конструкции значительным образом повышается, если георешетку укладывать на геотекстильный материал, что позволяет предупредить прохождение частиц заполнителя через георешетку.

В целом, необходимо подобрать и обосновать наиболее оптимальное расстояние между рядами свай в продольном направлении дороги так, чтобы давление, передаваемое от движения транспорта и собственного веса насыпи на слабое основание, с учетом включения в совместную работу свай, георешетки, геотекстиля и насыпи, было меньше структурной прочности грунта (p<p_str), когда давление воспринимается водно-коллоидными и кристаллизационными связями. В таком случае процесс уплотнения практически не будет развиваться. Лишь после разрушения этих связей при р > p_str будет происходить уплотнение грунта [7]. Компрессионная кривая (кривая уплотнения) для такого грунта показана на рис. 7.

Конструкцию земляного полотна на слабом основании с применением двухконусных пустотелых свай, пространственной георешетки и геотекстильного материала можно считать альтернативой варианту насыпи с заменой слабого грунта (а с примесями торфа насыпи с полным выторфовыванием).

Рис. 7. Компрессионные кривые грунта, обладающего структурной прочностью, в простой и полулогарифмической

системах координат

Данную конструкцию земляного полотна можно рекомендовать при строительстве лесовозных дорог. Использование такой конструкции позволит круглогодично выполнять работы по перевозке леса, а не только в зимний период, что экономически целесообразно, и обеспечит доступ для проезда пожаротушительной техники (нагрузка на ось транспортного средства – 10 т).

ВЫВОДЫ

Учитывая, изложенное выше, следует отметить перспективность широкого использования авторской конструкции земляного полотна на слабых водонасыщенных глинистых сезоннопромерзающих пучинистых грунтах с применением двухконусных пустотелых свай в комплексе с пространственной георешеткой и геотекстильным материалом при строительстве автомобильных дорог в сложных климатических и инженерно-геологических условиях.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. Пат. 42234 РФ, МПК⁷ E02D 5/30. Свая / Б.С. Юшков, А.О. Добрынин, Д.С. Репецкий (Россия). – № 2004121946/22; заявл. 20.07.04; опубл. 27.11. 04, Бюл. №33; Приоритет 20.07.2004.

2. Репецкий Д.С. Исследование взаимодействия маломасштабных двухконусных свай с окружающим глинистым грунтом / Д.С. Репецкий // Материалы Междунар. науч.- техн. конф.: сб. науч. тр. / ПГТУ. – Пермь, 2008. – С. 180-186.

3. СНиП 2.02.03-85. Свайные фундаменты/Минстрой России. – М.: ГП ЦПП, 1995. – 48 с.

4. Хамидуллин К.А. Исследование работы ромбовидных свай в сильносжимаемых пучинистых грунтах: дис... канд. техн. наук: 05.23.02 / Хамидуллин Константин Александрович – М, 1978. – 173 с.

5. Пономарев А.Б. Взаимодействие полых конических свай с окружающим грунтом: автореферат дис... канд. техн. наук: 05.23.02 / Пономарев Андрей Будимирович – Пермь, 1991. – 16 с.

6. Рекомендации по применению пространственных георешоток марки «СТ» / ГП РОСДОРНИИ Минтранса РФ. – М.,2005. – 46 с.

7. Месчян С.Р. Начальная и длительная прочность глинистых грунтов / С.Р. Месчян / М.: Недра, 1978. – 207 с.

8. Долматов Б.И. Механика грунтов, основания и фундаменты (включая специальный курс инженерной геологии): учебник. 3-е изд., стер. – СПб.: Лань, 2012. – 416 с.