#Жуандыков Н.Б., Киялбаев
А.К. О ПРИМЕНЕНИЯХ СТАБИЛИЗИРУЮЩИХ
ДОБАВОК ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ НЕСВЯЗАННЫХ И МАЛОПРОЧНЫХ ГРУНТОВ В КЛИМАТИЧЕСКИХ И
ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЯХ КАЗАХСТАНА
УДК
624.131.3.001.33:006.354
О
ПРИМЕНЕНИЯХ СТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ДОБАВОК ДЛЯ УКРЕПЛЕНИЯ НЕСВЯЗАННЫХ И МАЛОПРОЧНЫХ
ГРУНТОВ В КЛИМАТИЧЕСКИХ И ГРУНТОВЫХ УСЛОВИЯХ КАЗАХСТАНА
Киялбаев А.К., д.т.н., профессор (г. Алматы),
Жуандыков Н.Б., магистрант КазАДИ им. Л.Б. Гончарова (г. Алматы)
Грунты в большей части Казахстана обладают
низким внутренним сцеплением. В связи с этим их использование в дорожном
строительстве, особенно при укладке слоев оснований и возведения земляного
полотна, приводит к определенному технологическому кризису, т.е. прочность слоя
основания не соответствует требуемой нагрузке дорожных одежд /1/. Поэтому на
практике дорожного строительства Казахстана такие низкопрочные, малосвязывающие
грунты дополнительно усиливались с добавлением различных стабилизаторов, типа
как цемент, известь, шлак и др. Например, при укреплении оснований дорожной
одежды на автомобильной дороге «Омск–Майкапчагай» в качестве стабилизатора
грунта был использован алюминиевый шлам с добавлением 5 %-го цемента.
Для Южного Казахстана типичны
засушливость и пространственно-временная изменчивость осадков, резко выраженная
их сезонность и преобладание на большей части территории весеннего максимума.
Регион отличается малым количеством сумм осадков, как годовых, так и
месячных. Затем из многолетних
аналитических анализов известно, что среднегодовая сумма осадков не превышает
100 мм. Кроме того, на южных регионах Казахстана применение местных природных
материалов в дорожном строительстве имеет свои специфические особенности. Здесь
особое значение имеет пластические свойства грунтов применяемых строительства.
Например, грунты на большинстве территорий Южного Казахстана имеет низко
связывающие свойства, т.е их внутренние сцепления значительно ниже, чем
суглинистых материалов.
В связи с этим на вновь
эксплуатируемых дорогах, из-за низкой прочности материалов легко подвергается к
просадку или к пучинообразованию. Причина низкая внутренняя связанность грунта
или отсутствие скелета образующих материалов. Например, при полевых испытаниях,
проведенное на участке автомобильная дорога «Шиели-Тайконур» (Кызылординская
область) обнаружилась, что в составе материалов нижнего слоя дорожных одежд
крупнообломочные грунты, обломки скальных пород с размером более 2 мм оказанное
свыше 50 %.
Подрядные организаций АО
«Казатомпром» при строительстве грунтового основания автодорог «Шиели-Тайконур» претерпевают технологические трудности,
связанные с применением низкопрочных и несвязанных материалов. В процессе
проектирования проектировщиками установлено 3 карьера (Сафари, Балауса,
Шиели-тас, и т.д.) для добычи гравийно-песчаной смеси. Однако, при проведении лабораторных анализов в
испытательной лабораторий «КазАДИ» выявлено, что защита и укрепление откосов и земляного
полотна, усиление грунтовых оснований дорожных одежд является решением
застройщиков при подготовке к строительству и благоустройству участка. Защита
грунта необходима для предотвращения механической, водной и ветровой эрозии
почв. Для этого застройщики решили
применить химический стабилизатор грунта «Полибонд» добавлением
цемента и фосфорного шлака для улучшения свойств грунтов и устойчивости грунтовых
оснований дорожного строительства.
Формирование структуры укрепленного грунта
происходит в условиях динамичного технологического процесса (рисунок 1). Режимы
технологических операций – измельчение, смешивание, увлажнение, уплотнение, цементация, инъектирование –
каждый в отдельности и в совокупности, применяемое оборудование и машины,
климатические условия существенно влияют на процессы в структуре образования
укрепленных грунтов и на их конечные свойства – прочность, морозостойкость. Опыт применения
стабилизаторов показал, что свойства грунта при увлажнении сохраняются, это
достигается воздействием компонентов стабилизатора мелкодисперсные грунтовые
частицы. Наибольший положительный эффект достигается при обработке связных
грунтов, содержащих в своем составе от 15 до 70 % частиц размером менее 0,05
мм. Характерной особенностью метода является применение растворов низкой
концентрации, что положительно влияет на экономические показатели такого
технического решения.
|
|
|
Рисунок 1.
Укладка и укатка оснований с применением стабилизирующих
добавок зарубежного производства (участок а/д
«Шиели Тайконур»)
Передовые страны мира для укрепления
слабосвязанных грунтов используют различные
стабилизирующие добавки, типа как Soiltac, полибонд, полидор,
Consolid (жидкий закрепитель грунта), который был усовершенствован как EСО Roads
и т.п. Эти материалы с 2006 года в дорожном строительстве Казахстана активно
внедряются. Однако, возникают определенные технологические проблемы связанные с
их нормой распределения, областью и объектам применения. При использовании
полибонда в качестве стабилизатора грунта некоторые участки ведомственной
автомобильной дороги «Шиели–Тайконур» (172 км) подверглись разрушению под действием талых вод.
Таким образом, поток предложении по применению
различных видов стабилизаторов на сегодняшний день еще больше растет. Одним из
таких видов стабилизаторов, выпускаемой немецкими производителем IBS
GmbH является Novo Crete
®. Этот материал при строительстве дорог многих стран мира с 2008 года успешно
внедряется. При этом экспериментальные
испытания были проведены при
реконструкции земляного полотна на автомагистрали 80 в том же году в южней
части Германии.
В настоящее время лаборатория КазАДИ им. Л.Б.
Гончарова начала экспериментальные испытания на возможности применения
стабилизирующей добавки полибонд и EСО Roads.
1.
Результаты лабораторного анализа по оценке физико-механических
свойств стабилизатора ECO-ROADS. Для проведения испытаний был выбран суглинок легкий
пылеватый, отобранные из грунтового карьера при строительстве участков автомобильной
дороги «Шиели–Тайконур». Характеристика грунта,
определенные согласно /2, 3/. приведена в таблице 1.
Таблица 1. Результаты
лабораторного анализа
|
Наимено-вание грунта |
Содержание грунта,
%, мельче, мм |
Граница текучес-
ти, % |
Граница раскаты-вания,
% |
Число пласти-чности |
Оптималь-ная влаж-ность, % |
||||
|
1,0 |
0,5 |
0,25 |
0,1 |
0,5 |
|||||
|
Суглинок легкий
пылеватый |
98,9 |
98,7 |
97,9 |
96,3 |
95,0 |
25,3 |
17,4 |
7,9 |
15,0 |
Влияние концентрации раствора ECO-ROADS на коэффициент гидрофобности грунта. Из грунта с оптимальным
содержанием воды (15 % от массы грунта)
были изготовлены образцы- цилиндры d=h=50,5 мм под нагрузкой 15 МПа.
Параллельно изготовлены образцы-цилиндры из проб грунта с оптимальным (15 %) содержанием растворов
ECO-ROADS с различной
концентрацией стабилизатора: 0,02 %, 0,05 %, 0,1 %, 0,2 %.
Образцы выдерживались в эксикаторе в
течение 72 часов. Затем высушивались до постоянной массы при температуре плюс 60-70 оС и капиллярно водонасыщались в течение
7 суток. После водонасыщения образцы взвешивались.
Результаты влияния концентрации раствора ECO-ROADS на коэффициент
гидрофобности грунта приведен в таблице 2.
Таблица 2. Результаты лабораторного анализа по предельному коэффициенту
гидрофобности раствора ECO-ROADS
|
Наименование
показателя |
Концентрация ECO-ROADS в растворе, % |
||||
|
0 |
0,02 |
0,05 |
0,1 |
0,2 |
|
|
Масса
высушенного образца до водонасыщения, г |
169,44 |
168,32 |
168, 28 |
168,4 |
168,25 |
|
Масса образца после 7
сут. водонасыщения, г |
195,23 |
186,64 |
183,60 |
182,55 |
182,05 |
|
Величина капиллярного водонасыщения, % |
15,2 |
11,0 |
9,1 |
8,4 |
8,2 |
|
Коэффициент гидрофобности |
- |
0,3 |
0,4 |
0,45 |
0,46 |
Из анализа результатов испытаний следует, что коэффициент
гидрофобности увеличивается с увеличением концентрации раствора стабилизатора. При этом при увеличении концентрации от 0,02 % до 0,1 % от массы воды коэффициент гидрофобности
повышается от 0,3 до 0, 45, дальнейшее повышение концентрации в 2 раза (от 0,1% до 0,2%) незначительно увеличивает
коэффициент гидрофобности (на 0,01). Для дальнейших испытаний выбрана
концентрация 0,1 %.
Определение влагонакопления. Грунт высушивался до постоянной
массы, просеивался через сито с отверстиями 1 мм, затем готовили
две пробы:
- проба № 1 (контрольная) – грунт замачивали водой до оптимальной влажности;
- проба №2 - грунт замачивают
0,1 % раствором ECO-ROADS (1 мл ECO- ROADS
на 1 л воды) до оптимальной влажности.
Определение набухания
и усадки грунта. Для определения характеристики
набухания применяется прибор для
определения свободного набухания (ПНГ), в который
входят: рабочее кольцо
из металла внутренним диаметром не менее 50 мм, высотой
не менее 20 мм; вкладыш, обеспечивающий высоту образца
в кольце не менее 10 мм;
перфорированный верхний
штамп; перфорированный поддон; ванночки для жидкости;
основания прибора и держателя индикатора; индикатор часового типа с ценой деления
шкалы 0,01 мм для измерения вертикальных деформаций образца грунта.
Проведение испытания. Испытания проводились согласно /2/. Грунт просеивали через сито 1,0 мм, затем готовили
две пробы:
- Проба № 1 (контрольная) – грунт замачивают водой до
влажности на границе текучести;
- Проба №2 - грунт замачивают
0,1 % раствором ECO-ROADS (1 мл ECO-ROADS
на 1 л воды).
Обе пробы выдерживали в пустом
эксикаторе в течение
3 суток. Затем при помощи шпателя заполняли
грунтом рабочие кольца для определения набухания
(кольцо №1 для пробы №1 и кольцо
№2 для пробы №2) и кольца
для определения усадки. Одновременно отобраны
пробы грунта №1 и №2 для определения исходной влажности.
Грунт в кольцах для определения набухания
покрывали с двух сторон фильтрами и помещали в ПНГ. В
ПНГ налили воду и наблюдали
за развитием
деформаций во времени,
следя за показаниями индикатора и записывая их
через определенные
промежутки времени до тех пор, пока не прекратится набухание грунта.
Кольца с образцами грунта для определения усадки на предметном
стекле поместили под
стеклянный колпак. За
начальные размеры образцов принимаются размеры кольца по высоте, внутреннему диаметру
и массе грунта со стеклом.
Испытание усадки грунта в кольцах проводили в три этапа.
На
первом и втором этапах испытания
измерение высоты,
диаметра
и
массы образца грунта, помещенного в эксикаторе, производили не реже двух раз
в сутки. На втором этапе сушка образца
грунта производили при температуре окружающей среды.
На третьем этапе сушку образца грунта производили в сушильном шкафу при температуре
(105±2) °С до
постоянной
массы
и
в
конце
испытания
производили контрольное измерение линейных размеров образца
грунта. Результаты испытаний приведены
в таблицах 3 и 4. Из
анализа результатов испытаний следует, что введение добавки
ECO-ROADS снижает набухание и усадку грунтов.
Таблица 3.
Результаты определения набухания грунтов, снятие показаний индикатора
|
Дата |
Проба № 1 (контрольная) |
Проба №2 (с добавкой ECO-ROADS) |
||
|
Время замеров от
начала опыта |
Показание индикатора |
Время замеров от начала опыта |
Показание индикатора |
|
|
15.01.2015 г. |
10-00 |
0,00 |
10-10 |
0,00 |
|
15.01.2015 г. |
12-00 |
0,02 |
12-00 |
0,01 |
|
15.01.2015 г. |
16-00 |
0,04 |
16-00 |
0,02 |
|
16.01.2015 г. |
10-00 |
0,06 |
10-00 |
0,03 |
|
16.01.2015 г. |
12-00 |
0,06 |
12-00 |
0,03 |
|
16.01.2015 г. |
14-00 |
0,06 |
14-00 |
0,03 |
|
16.01.2015 г. |
16-00 |
0,07 |
16-00 |
0,03 |
|
17.01.2015 г. |
10-00 |
0,08 |
10-00 |
0,05 |
|
17.01.2015 г. |
12-00 |
0,08 |
12-00 |
0,05 |
|
17.01.2015 г. |
14-00 |
0,09 |
14-00 |
0,05 |
|
17.01.2015 г. |
16-00 |
0,09 |
16-00 |
0,05 |
Таблица 4. Результаты определения усадки грунта
|
Наименование показателей |
Результаты испытаний |
||
|
Проба
№1 |
Проба
№2 |
||
|
Высота, мм |
начальная |
1,21 |
1,21 |
|
после высушивания |
1,20 |
1,205 |
|
|
Усадка
по высоте |
0,008 |
0,004 |
|
|
Диаметр, мм |
начальный |
5,54 |
5,54 |
|
После высушивания |
5,52 |
5,53 |
|
|
Усадка по диаметру |
0,004 |
0,002 |
|
|
Объем, мм3 |
начальный |
24,09 |
24,09 |
|
после высушивания |
23,92 |
24,01 |
|
|
Усадка по объему |
0,007 |
0,004 |
|
Определение компрессионных и сдвиговых характеристик
грунта, обработанного ECO-ROADS. Опыт применения стабилизаторов в
разных регионах мира показал, что достигаемая при этом водостойкость и прочность
обработанных грунтов позволяет сохранять те же свойства
грунта
рабочего
слоя
в
периоды
переувлажнения земляного полотна, которыми
он обладает в сухое время года. Это достигается за счёт воздействия компонентов стабилизаторов на мелкодисперсные грунтовые частицы, в результате чего происходит каталитический связующий процесс,
инициирующий сильное цементирующее
воздействие. При этом, в процессе уплотнения грунтовая масса преобразуется
в плотный и прочный материал,
устойчивый к проникновению воды, непогоде и износу. Для выяснения эффективности обработки грунта (суглинка)
стабилизатором ECO-ROADS были проведены
компрессионные и сдвиговые испытания грунта согласно /4,5/.
Результаты испытаний приведены в таблице
5.
Таблица 5.
Результаты испытаний по эффективности обработки грунта (суглинка)
стабилизатором ECO-ROADS при
компрессионном и сдвиговом испытании грунта
|
№ п/п |
Физические свойства грунта |
Нагрузка, кг/см2 |
Состояние грунта |
Показатели свойств
грунта |
||
|
с добавкой ECO-ROADS |
без добавки |
|||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
1 |
Коэффициент сжимаемости, см2/кг |
1,00 |
естественное |
0,024 |
0,036 |
|
|
водонасыщ. |
0,042 |
0,069 |
||||
|
2,00 |
естественное |
0,014 |
0,017 |
|||
|
водонасыщ. |
0,021 |
0,024 |
||||
|
3,00 |
естественное |
0,010 |
0,012 |
|||
|
водонасыщ. |
0,014 |
0,016 |
||||
|
2 |
Относительная просадочность, д.е |
1,00 |
естественное |
0,012 |
0,022 |
|
|
2, 00 |
естественное |
0,017 |
0,027 |
|||
|
3,00 |
естественное |
0,019 |
0,290 |
|||
|
3 |
Начальное
просадочное давление,
кг/см2 |
0,0875 |
0,375 |
|||
|
Компрессионные испытания |
||||||
|
4 |
Относительная просадочность, е |
1,00 |
естественное |
0,016 |
0,024 |
|
|
водонасыщ. |
0,028 |
0,046 |
||||
|
2, 00 |
естественное |
0,025 |
0,035 |
|||
|
водонасыщ. |
0,042 |
0,062 |
||||
|
5 |
Модуль деформации, кг/см2 |
3,00 |
естественное |
0,032 |
0,043 |
|
|
водонасыщ. |
0,051 |
0,072 |
||||
|
1,00 |
естественное |
З9,0 |
26,0 |
|||
|
водонасыщ. |
22,3 |
13,6 |
||||
|
2, 00 |
естественное |
65,7 |
53,7 |
|||
|
водонасыщ. |
43,3 |
37,2 |
||||
|
3,00 |
естественное |
90,5 |
75,2 |
|||
|
водонасыщ. |
64,0 |
54,8 |
||||
|
Сдвиговые испытания |
||||||
|
6 |
Сдвигающее усилие, σ,
кг/см2 |
3,00 |
естественное |
2,52 |
2,47 |
|
|
7 |
tg
φ |
3,00 |
естественное |
0,60 |
0,63 |
|
|
8 |
угол сдвига,
|
3,00 |
естественное |
31 |
32 |
|
|
9 |
C, кг/см2 |
3,00 |
естественное |
0,72 |
0,57 |
|
В результате проведенных исследований выявлено:
- коэффициент гидрофобности
увеличивается с увеличением концентрации раствора
стабилизатора. Для практического применения при
подборе концентрации раствора стабилизатора выбирают состав со
значениями коэффициента гидрофобности не менее 0,45;
- грунт, смешанный с добавкой
ECO-ROADS и уплотненный при оптимальной влажности,
значительно в меньшей степени подвержен
влагонакоплению при безнапорном увлажнении снизу, чем
необработанный
грунт;
- введение добавки
ECO-ROADS снижает набухание
и усадку грунтов;
- коэффициент сжимаемости в обработанном стабилизатором грунте ниже
на 0,02-0,03 см2/кг, относительная просадочность – на 0,01-0,02,
модуль деформации выше в водонасыщенном состоянии на 6-10 кг/см2, в естественном состоянии – на 12-15 кг/см2;
- введение
стабилизатора
увеличивает
несущую
способность
грунта
(показатель Калифорнийского числа
CBR увеличивается в 1,5-2 раза)
На основании
лабораторных испытаний можно принять расчетные
значения
модуля упругости
и
сцепления на
25 % выше
по сравнению с необработанными
грунтами того же вида.
Уточнение расчетных
характеристик грунтов
может быть выполнено
в ходе практического (опытного) применения стабилизатора непосредственно на дороге.
Литература
1.
Бартоломей
А.А. Механика грунтов: Учеб. издание/ АСВ, Москва, 2004.
2. ГОСТ 24143. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик набухания и усадки.
3. СТ РК 1285. Грунты. Методы
лабораторного определения максимальной плотности.
4. Отраслевые
нормативы удельных затрат воды при регулярном и лиманном орошении по
водохозяйственным бассейнам Республики Казахстан /Нормативно-методическое
обеспечение развития отраслей АПК. – Астана: КВР МСХ РК, 2008.
5. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного
определения характеристик прочности и деформируемости.