1 - ZiyoNET
advertisement
МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН ТАШКЕНТСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ На правах рукописи Худайқулов Рашидбек Мансуржонович ПРИМЕНЕНИЕ СТАБИЛИЗАТОРОВ ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ СВОЙСТВ СВЯЗНЫХ ГРУНТОВ Специальность: 5А580206 «Автомобильные дороги и аэродромов» ДИССЕРТАЦИЯ На соискание степени магистра Научный руководитель проф. Каюмов А.Д. «____» _____________2011 г. Ташкент 2011 1 Оглавление Введение.................................................................................................................... 4 1. Состояние вопроса............................................................................................... 12 1.1. Анализ результатов теоретических и практических исследований грунтов обработаных стабилизаторами................................................................. 12 1.2. Анализ существующих нормативных документов по применению стабилизаторов для улучшения свойства грунтов............................................... 15 Выводы по 1 главе. Цель и задачи исследования................................................. 19 2. Теоретические исследования грунтов, обработанных стабилизаторам...... 20 2.1. Современные предоставления о природе структурных связей и свойствах глинистых грунтов................................................................................. 20 2.2. Теоретические предпосылки выбора состав стабилизаторов для связных грунтов...................................................................................................................... 23 Выводы по 2 главе................................................................................................... 27 3. Экспериментальные исследование по применению стабилизаторов для улучшения свойства грунтов.................................................................................. 28 3.1. Характеристика испытываемых грунтов....................................................... 28 3.2. Планирование экспериментов......................................................................... 29 3.3. Результаты исследований................................................................................ 31 3.3.1. Свойства системы «глинистый грунт гидрофобизирующее ПАВ»...... 31 3.3.2. Расчетные характеристики лессовых грунтов в лабораторных условиях................................................................................................................... 37 3.3.3. Деформационные и прочностные характеристики лессовых грунтов в полевых условиях................................................................................................... 54 Выводы по 3 главе.................................................................................................. 63 4.Научные и производственные рекомендации по применению стабилизированных грунтов.................................................................................. 64 4.1.Расчетных характеристики стабилизированных грунтов........................... 64 2 4.2.Экономические аспекты использования стабилизированных грунтов в земляное полотна автомобильных дорог.............................................................. 67 Общие выводы.......................................................................................................... 69 Использованная литература.................................................................................... 70 Приложения.............................................................................................................. 73 3 Введение В обстановке ускорения социально-экономического развития страны, при быстром темпе развития автомобильного транспорта и внешней торговли роль дорожного строительства возрастает с каждым годом. Все это обусловливает необходимость строительства прочных во времени и отвечающих нормативным требованиям автомобильных дорог. Для создания таких дорог необходим всесторонний учет целого ряда различных факторов при проектировании и строительстве. Это климатические и грунтовые условия местности, возможность использования природных ресурсов в районе проложения автомобильной дороги, необходимость обеспечения показателей автомобильной дороги с учетом перспектив движения, сохранения окружающей среды и т.д. Выполнение указанных требований весьма важно по той причине, что при строительстве автомобильных дорог используются в большом объеме различные каменные материалы (щебень, гравий), расход которых в полотном теле часто составляет 3.0-3.5 тыс. м3, а на дорогах I-II категории 6.5-7.5 тыс. м3 на 1км дороги. В районах строительства, где нет каменных материалов, возникает необходимость в перевозках щебня, гравия, песка за сотни километров автомобильным транспортом, что удорожает их первичную стоимость в 3-4 раза и более [1]. Указанное обстоятельство является главной причиной значительного удорожания дорожного строительства и замедления темпов производства работ, к тому же разработка карьеров приводит к нарушению экологического равновесия окружающей среды. Как показали результаты многолетних исследований дорожных институтов, а также практический опыт проектирования и строительства, денежные и материальные затраты могут быть значительно снижены, если для устройства дорожных одежд вместо каменных материалов применять местные грунты. 4 Прочное и стабильное во времени основание и земляное полотно являются важнейшими факторами надежной работоспособности автомобильных дорог. Однако значительный рост объем земляных работ или отсутствие грунтов пригодных для их возведения методов и методик искусственного целенаправленного преобразования свойств, в первую очередь, местных глинистых грунтов различного возраста и генезиса, таких, как супеси, суглинки и глины требует разрабатывать методы улучшение свойств лессовых грунтов. В настоящее время хорошо разработаны и широко применяются многочисленные методы искусственного улучшения свойств местных грунтов. Большие заслуги в развитии этого направления в науке о грунтах принадлежит ученым из бившего союза: В.М. Безрука [1], Е.М. Сергеев [3], П.А. Ребиндер [4], Н.Н Серб-Сербина [5], М.Т. Кострико [6], Л.А. Марков, А.П. Парфенов, А.П. Петрашев, Б.В. Пугачев, И.И.Черкасов [7] и другим. В результате применения укрепленных грунтов создается реальная возможность ежегодного высвобождения сотен железнодорожных составов и многих тысяч автомобилей от перевозок каменного материала [1]. На результаты укрепления грунта существенно влияют свойства грунта и его гранулометрический и химический составы, а также состав и свойства вяжущих веществ и других добавок. Исключительно важное значение для эффективного укрепления грунтов имеет последовательное выполнение требуемых технологических операций и обеспечение оптимального режима твердения и структурообразования укрепленного грунта. В настоящее время проблема эффективного использования различных видов местных грунтов, укрепленных вяжущими материалами и другими химическими реагентами для устройства конструктивных слоев дорожных и аэродромных одежд, практически разрешена. Такой огромный производственный опыт в мировой практике позволяет формулировать обоснованные практические рекомендации по 5 дальнейшему более широкому применению укрепленных грунтов при строительстве автомобильных дорог и аэродромов. В настоящее время широко используются органические вяжущие для укрепления грунтов, но в связи с удорожанием нефти и нефтепродуктов, трудность разработки нефти в Узбекистане, использование органических вяжущих как основных веществ для укрепления грунтов, становится невыгодным. В современных условиях настоятельно необходимы новые эффективные технологии и более дешевые материалы, обеспечивающие высокое качество дорожных работ, новые методы улучшения грунтов. Актуальной задачей современные тенденции в дорожном строительстве (увеличение интенсивности движения и грузоподъемности автомобильного транспорта, расширение сети дорог, в том числе и местных) выдвигают задачи необходимости не только повышения долговечности дорожных конструкций, но и применения при строительстве автомобильных дорог местных материалов и грунтов. Учитывая, что многие регионы Узбекистана испытывают дефицит материалов для устройства оснований, а их доставка связана с дополнительными транспортными затратами, то актуальность использования в основаниях дорожных одежд местных грунтов становится очевидной. Все методы искусственного улучшения инженерного поведения грунтов в соответствии с главными действующими факторами и получаемыми эффектами могут быть разделены на два направления: - физико-механическая стабилизация; - физико-химическое преобразование; Физико-механическая стабилизация связана с процессом структурных перестроек в грунте под влиянием внешних напряжений и формированием новой структуры, равновесной новому напряженному состоянию. А также с перераспределением жидкой компоненты в грунтах. Физико-химическое преобразование 6 связано с процессом формирования искусственных твердых веществ, которые цементируют твердые структурные элементы грунтов [3]. В последнее время повысился интерес к методам физико- механическая стабилизация грунтов с использованием гидрофобизирующих поверхностно-активных веществ. Для искусственного целенаправленного изменения свойств природных глинистых грунтов в последнее время широко применяют стабилизаторы: Стабилизаторы серии: Т-RRР Soiltac® Durasoil Статус Роадбонд ECOROADS Научной новизной диссертационной работы состоит: - обосновано характеристики улучшение прочностные и деформационные лессовых грунтов используемых при строительстве дорожных одежд с стабилизатором Т-RRР; - предложено зависимость позволяющие определить прочностные и деформационные характеристики стабилизированных лессовых грунтов; - получено уравнение линейной регрессии и математические зависимость позволяющие определит влияние расчетной влажности, коэффициент уплотнения и вида грунтов на расчетные характеристики стабилизованных лессовых грунтов; Практическая ценность работы: разработано рекомендация по применения стабилизаторов для улучшения свойств лессовых грунтов используемых при расчете конструкции дорожных одежд. Апробация работы. Диссертационная работа обсуждена на научных 7 семинарах кафедры «Автомобильные дороги и аэродромы» в 2009-2011гг. Основные положения исследования докладывались на республиканской научно-практической конференции «Актуальные проблемы автомобильнодорожного комплекса Узбекистана» 2010г. Публикации: по материалам диссертации опубликовано 4 статьи в трудах ТАДИ и ЖПИ. Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключением и списка использованной литературы, приложения общим объемом 72 страниц компьютерные текста с рисунками и таблицами. 8 «Постановление президента республики Узбекистан» По Указу Президента от 28 ноября 2008г. №УП-4058 «О программе мер по поддержке предприятий реального сектора экономики, обеспечению их стабильной работы предусматривается и увеличения реализация проекта экспортного «Узбекская потенциала» национальная автомагистраль», а именно строительство 4-полосной автомобильной дороги в целях коренного улучшения инфраструктуры экономики и создания новых рабочих мест [2]. По Постановлению Президента от 22апреля 2009г. №ПП-1103 «О мерах по реконструкции автомагистрали на и 2009-2014 развитию годы» Узбекской разработана национальной Государственная программа и начато крупномасштабное строительство объектов, входящих в Узбекская национальная Министерством автомагистраль. экономики, Министерство Одобрено финансов разработанные Республики Узбекистан, Республиканским дорожным фондом и ГАК «Узавтойул» параметры реконструкции и развития Узбекской национальной автомагистрали на 2009-2014годы в целях создания единой национальной транспортной системы. Заказчиком строительства и реконструкции участков автомобильных дорог, входящих в состав Узбекской национальной автомагистрали - Республиканский дорожный фонд при Министерстве финансов Республики Узбекистан: Генеральной проектной организацией по разработке необходимых документов по строительству и реконструкции участков автомобильных дорог, входящих в состав Узбекской национальной автомагистрали проектный институт ООО «Йуллойиха бюроси»; Генеральными подрядными организациями по строительству и реконструкции участков автомобильных дорог, входящих в состав Узбекской национальной автомагистрали и проходящих по Республике 9 Каракалпакстан и областям соответствующие - территориальные подразделения ГАК «Узавтойул» и др. зарубежные организации. По Постановлению Президента от 21декабр 2010г. №ПП-1446 «Об ускорении развития инфраструктуры, транспортного и коммуникационного строительства в 2011-2015 годах ». В целях обеспечения производственной, инфраструктуры опережающего транспортной в тесной и увязке развития отраслей инженерно-коммуникационной с реализуемыми программами перспективного развития отраслей экономики и территорий республики и на этой основе обеспечения создания новых рабочих мест, повышения занятости и неуклонного роста уровня жизни населения: Ускорение реализации проектов по созданию единой национальной автомобильной транспортной системы, надежно соединяющей все регионы республики, расширение строительства и реконструкции участков четырехполосных дорог, входящих в состав Узбекской национальной магистрали, с обеспечением асфальтобетонным покрытием, их современным отвечающим цементобетонным высоким и требованиям международных стандартов, проведение реконструкции автодороги через перевал Камчик; Объем работ по строительству и реконструкции автомобильных дороги по направлениям Гузар – Бухара – Нукус – Бейнеу и Алматы – Бишкек – Ташкент – Термиз, а также стратегических участков дорог Бухара – Алат, Самарканд – Гузар составляет 2755 км, из них протяженность 4полосных частей – 1254 км, а протяженность 2-полосных частей – 1501 км. На них предстоит построить и реконструировать более 80 мостов и путепроводов. Уже возводятся 10 мостов в Каракалпакстане, а также путепровод на обходе города Гузара. Программа развития придорожной инфраструктуры и сервиса вдоль Узбекская национальная автомагистраль предусматривает комплексное строительство мотелей и кемпингов, 10 АЗС, станций технического обслуживания автомобилей, парковок для машин и медпунктов [1]. В течение 2010 года проведены строительные и реконструкционные работы 353 км автомобильных дорог общего пользования международного и государственного значения, из них 238 км - участки «Узбекской национальной автомагистрали». На сегодняшний день общая протяженность сети автомобильных дорог Узбекистана составляет около 184 тысяч км. Из них дорог общего пользования - 42530 км, городских улиц и дорог других населенных пунктов - 61664 км и дорог хозяйственного назначения - 79367 км. 11 1.Состояния вопроса. 1.1 Анализ результатов теоретических и практических исследованиий грунтов обработанных стабилизаторами Исследованию вопросов улучшения характеристик связных грунтов с помощью физико-механических поверхностно-активных веществ посвящены многочисленные работы отечественных и зарубежных ученых: В.М. Безрука [4], Е.М. Сергеев [6], П.А. Ребиндер [7], Н.Н СербСербина, П.А. Ребиндер [8]., М.Т. Кострико [9], Л.А. Марков, А.П. Парфенов, А.П. Петрашев, Б.В. Пугачев, И.И.Черкасов [10], А.Д. Каюмов [11] и др. В месте с тем недостаточно изучены вопросы взаимодействия химических реагентов с грунтами, последовательность, взаимосвязь и кинетика происходящих при этом химических реакций и физикохимических процессов, общие закономерности и специфика структурообразования в грунтах, обработанных добавками химических peaгентов. Причина заключается в том, что дисперсные грунты представляют собой исключительно сложные полиминеральные образования, прошедшие в естественных условиях длительный генетический путь формирования присущей им структуры физико-химических и механических свойств. Кроме того, глинистые грунты - это многофазные гетерогенные дисперсные системы, химический состав которых отличается многокомпонентностью. При воздействии на грунт небольших доз ПАВ происходит изменение природы поверхности минеральных частиц, т.е. процесс гидрофобизации. Гидрофобизация глинистых ликвидации способности их грунтов осуществляется взаимодействовать с в целях водой путем нейтрализации зарядов и других сил поверхностного притяжения воды, либо путем образования новых соединений, препятствующих соединению с 12 водой. Сущность гидрофобизации заключается в том, что смачиваемость или несмачиваемость грунта находится в прямой зависимости от кристаллической структуры его минералов и характера их межатомных и межмолекулярных связей. Основной причиной смачивания и гидратации является наличие на поверхности минералов некомпенсированных энергетически активных центров. Энергетически активные центры минеральных частиц грунта обусловлены, в основном: - валентными силами на сколах и ребрах кристаллов; - изоморфными замещениями в кристаллах минералов; - водородной связью; Активные группы воды, взаимодействуя с активными центрами поверхности частиц грунта, образуют сортированный слой воды, который может утолщаться в зависимости от величины зарядов поверхности, наличия и вида обменных катионов, а также от величины межмолекулярного взаимодействия. Поэтому, чтобы снизить смачиваемость глинистой частицы необходимо уравновесить энергетически активные центры на поверхности минералов грунта. Для этих целей применяются различные поверхностноактивные вещества (ПАВ), к которым относятся органические полярные катионы, анионы и молекулы. В различных областях науки и производства термину «стабилизаторы» отвечает широкий круг понятий. В дорожном строительстве, особенно при работе с грунтами, под стабилизаторами подразумеваются химические вещества и соединения, изменяющие физико-химические, физико-механические свойства грунтов, включая и структурные изменения. При этом использование стабилизаторов не всегда ставит своей целью повысить прочность грунтов, просто в результате изменения каких-либо свойства грунтов, например, снижение водонасыщения, набухания, пыления, происходит повышение прочностных показателей. В последние годы 13 значительно расширился ассортимент материалов, используемых в качестве стабилизаторов. Стабилизаторы, как правило, представляют собой сложные химические соединения и, в основном, относятся к классу поверхностноактивных веществ. Все разнообразные применения поверхностно-активных веществ основаны на фундаментальных закономерностях и механизмах влияния ПАВ: - на свойства поверхностей раздела фаз – маркроповерхностей и поверхностей дисперсной фазы в дисперсных системах (адсорбционное модифицирование поверхностей); - на объемные свойства жидкостей (растворов) - процессы мицеллообразования солюбилезации; Влияние ПАВ на свойства поверхностей раздела фаз определяется образованием ориентированных адсорбционных слоев молекул или ионов с различной энергией связи с поверхностью (от вполне обратимой «физической» адсорбции до хемоадсорбции и образования поверхностных химических соединений). Непосредственным результатом образования адсорбционных слоев, т.е. поверхностной активности на различных границах раздела фаз оказывается адгезионное, в рассматриваемом случае, смачивающее действие ПАВ. Стабилизирующее действие ПАВ всегда связано с образованием структур в поверхностных слоях и прилегающих к ним объемах дисперсионной среды. Отмеченные аспекты действия ПАВ составляют научную основу их применения для управления химико-технологическими процессами в гетерогенных (дисперсных) системах. Отмеченные аспекты действия ПАВ составляют научную основу их применения для управления химикотехнологическими процессами в гетерогенных (дисперсных) системах, в том числе и для управления устойчивостью дисперсных систем и структурообразованием в них. 14 1.2 Анализ существующих нормативных документов технических литературы по применению стабилизаторов для улучшения свойства грунтов Существующие нормативные документы и технических литературы по применению стабилизаторов для улучшения свойства грунтов показана нормативных документов: - Проф., д-р геол-минерал. наук. В.М.Безрук «Укрепление грунтов в дорожном и аэродромном строительстве» Издательство «Транспорт» Москва 1971, с 245 [5]. - Марков Л.А., Парфенов А.П., Петрашев А.П., Пугачев Б.В., Черкасов И.И., «Улучшение свойств грунтов поверхностноактивными и структуро-огбразующими веществами» «Автотрансиздат» Москва 1963,с 175[10]. - Градостроительные нормы и правила «ШНҚ 2.05.02-07» Автомобильные дороги приведена 7.40 пункте, таблица 48, Ташкент 2008, с 180 [13]. - «Методические рекомендации» по применению обеспыливающих материалов на дорогах с низшими типами покрытий, P PK 218-63 -2007 Астана 2008, с 110[12]. - Сообщается о широком применении метода укрепления грунтов в Китае при сооружении автомобильных дорог. В связи со сложными климатическими условиями эксплуатации в ряде районов страны были проведены экспериментальные исследования влияния циклических процессов увлажнения и высыхания на прочность и деформативность образцов грунта стабилизированных известью. Приведены данные о составах смеси, применявшейся в экспериментах и графики зависимостей прочности образцов [14]. - Запатентован усовершенствованный способ укрепления грунта 15 дорожных насыпей. В настоящее время для этой цели, в основном, применяются волокнистые упрочняющие материалы, добавляемые в грунт (нарезанный нейлон, дакрон или полиэфирный материал), или посадка трав. Эти методы обладают целым рядом недостатков, например, корни трав активно поглощают из почвы влагу, что приводит к нарушению ее структуры. Предлагаемый способ обеспечивает защиту грунта от эрозии и препятствует снижению прочности. Для этой цели должны использоваться усиливающие или стабилизирующие волокнистые материалы (как натуральные, так и синтетические), которые покрываются адгезивом [15]. - Российскими учеными предложен способ закрепления грунтов. Изобретение относится к области строительства, в частности к способам укрепления грунтов при возведении дорожных оснований. Способ заключается в смешивании местного грунта с наполнителем – брикетами, полученными прессованием теплоэлектростанций обожженной смесью смеси шлама химической водоочистки с 10-15% цемента, и известковым вяжущимкарбонатного шлама теплоэлектростанций с хлористым кальцием в количества до 2% с последующим уплотнением до плотности 0,95-0,98 от максимальной. При этом соотношение местного грунта, брикетов и известкового вяжущего может быть как 6:3:14:3:1.Технический результат: способ позволяет по упрощенной и экономичной технологии производить закрепление грунтов и утилизировать шламы тепловых электростанций [16]. - Т-RRP действует в почве как катализатор и при правильном применении изменяет физико-химические свойства почвы, так что она при уплотнении достигает более высоких параметров плотности и стойкости, чем это возможно в природе. Это происходит благодаря стойкому изменению водосвязывающих сил, частиц почвы (коллоидов). Следствием является значительное прекращение капиллярности. Принципиально важно, чтобы частички почвы (коллоиды) контактировали с действующим веществом Т-RRP. Действие проявляется только после оптимального 16 уплотнения почвы. Его присутствие в грунте в значительной мере предотвращает разбухание. Ни влажность, ни мороз не изменяют это состояние [17]. - Soiltac® - эмульсия на полимерной базе, которая обладает свойством стабилизировать практически все виды грунтов, защищать их от пыли и эрозии. Она максимально проникает в глубину почвы. После того, как высохнет, становится полностью прозрачной, сохраняя естественный пейзаж, но может быть для специальных целей окрашена в требуемый цвет. Она физически связывает и скрепляет частицы почвы, увеличивая сцепление почвы до 200%, в несколько раз увеличивая его несущую способность, способствует ликвидации пыли [18]. - Использование препарата Durasoil на дорогах позволяет уменьшить совокупные потери на 55-67%, а затраты на обслуживание-на 30-36%, что составляет миллионы долларов экономии ежегодно. И это без учета устранения им влияния пыли со свалок на человека и окружающую среду, пагубного воздействия пыли на механизмы, особенно на вертолетных площадках, грунтовых аэродромах, территорий ветровых и солнечных электростанций, без учета сдерживания тонн пыли, поднимаемой на спортивных трассах и площадках, полигонах и карьерных выработках, на полях и садах [19]. - Стабилизатор «Статус» это водорастворимый жидкостный стабилизатор многокомпонентного состава, содержит высокомолекулярные углеводороды, катализаторы, пластификаторы, а также поверхностноактивные добавки, обладающие мощным ионообменным потенциалом, темно-коричневого цвета, рН-5.5 (нейтральный), не оказывает вредного воздействия на металлы, ц/бетоны и конструктивные элементы дороги, а также на водоносные грунтовые слои, подстилающие земполотно [20]. - ECOroads - органическая композиция на основе жидкости, повышающая прочность при сжатии, несущую способность и общую 17 долговечность грунтовых оснований и подстилающего слоя. При смешивании с грунтовыми материалами со строительной площадки и уплотнении энзимы и соединения, входящие в состав ECOroads, действуют на мелкие связующие частицы, ускоряя образование связей и формирование постоянной водостойкой основы. [21]. 18 Выводы по 1 главе. Цель и задачи исследования 1. Исследованию характеристик связных вопросов грунтов улучшения с помощью физико-механических ПАВ посвящены многочисленные работы. Однако рассматриваемые вопросы в части улучшение лессовых грунтов стабилизаторами недостаточно изучены. 2. Анализ существующих нормативных документов и технических литературы по применению стабилизаторов показали, что расчетная характеристика стабилизированных лессовых грунтов используемых для расчета дорожный одежды не разработаны. 3. В связи с отмеченными в данной магистерский диссертация рассматривается вопрос о стабилизации лессовых грунтов используемых земляного полотна автомобильных дорог в условиях Узбекистана. Целью является разработка рекомендаций по использованию стабилизаторов Т-RRР для улучшения прочностных и деформационных характеристик лессовых грунтов используемых при расчете конструкции дорожных одежд. В соответствии с поставленной целью задачами исследования являются: - ознокомление с различными видами стабилизаторов; - определение прочностных и деформационных свойств лессовых грунтов, улучшение стабилизатором Т-RRР в лабораторных условиях; - разработать рекомендации для использования стабилизаторов Т-RRР при проектирование дорожных насыпей из лессовых грунтов. 19 2.Теоретические исследования грунтов, обработанных стабилизаторами 2.1 Современные предоставления о природе структурных связей и свойствах глинистых грунтов В последнее время наблюдается повышенный практический интерес к методам физико-химической стабилизации грунтов с помощью гидрофобизирующих поверхностно-активных веществ, которые позволяют ликвидировать способность взаимодействия связных глинистых грунтов с водой в результате нейтрализации сил поверхностного притяжения воды. Вопросу исследования химических и физико-химических методов обработки связных грунтов посвящены работы В.М. Безрука [4], Е.М. Сергеева [6], П.А. Ребиндер [8], М.Т. Кострико [9], Б.В. Пугачев [10], С.А. Морозова [22] и многих других. Их исследования показывают, что гидрофобная пленка из ПАВ не допускает молекулы воды в зоны контактов минеральных частиц грунта и тем самым предохраняет грунт от размокания. Изменения на уровне микроструктуры приводят не только к стабильному сохранению физико-механических свойств природного глинистого грунта, но и к их улучшению (например, повышается прочность, снижается набухание и т.д.). Кроме того, перспективность использования ПАВ, особенно отечественного производства, в дорожно-аэродромном строительстве обусловлена их сраенительно низкой ценой. Обобщение и анализ теоретических и практических результатов исследований по применению связных грунтов, обработанных ПАВ, в качестве несущих и подстилающих слоев дорожных одежд показывает, что в этой области достигнуты определенные успехи. Однако остается ряд задач, которые до сих пор не решены. Например, не достаточно ясен механизм взаимодействия поверхностно-активных веществ с глинистыми грунтами, характер и взаимосвязь происходящих при этом физико-химических процессов, не в полной мере изучены общие закономерности изменения структуры природного глинистого грунта после обработки его ПАВ, 20 отсутствует методика прогноза свойств глинистых грунтов и т.д. Одним из путей изменения природы поверхности минеральных частиц грунта является воздействие на грунт поверхностно-активных веществ. Установлено, что изменение природы поверхности минеральной частицы происходит при воздействии на грунт небольших доз ПАВ, то есть идет процесс гидрофобизации (ликвидация способности взаимодействия с водой либо путем нейтрализации притяжения воды, либо зарядов и других сил поверхностного путем образования новых соединений, препятствующих соединению с водой). Можно считать, что смачиваемость или несмачиваемость грунта находится в прямой зависимости от кристаллической структуры минералов и характера их межатомных и межмолекулярных связей. Характер образования связей в системе грунт вода - ПАВ в большой степени зависит от вида воды: рыхлосвязанной или прочносвязанной. Наиболее распространены глинистые грунты, имеющие в составе преобладание рыхлосвязанной воды, о чем свидетельствует наличие полуторных окислов (16-17%) и органических веществ (3%). Для снижения гидрофильности глинистых фунтов применяются катионактивные и анионактивные ПАВ. Наиболее распространены и изучены катионактивные ПАВ, применяемые для грунтов кислых разновидностей. Наличие на территории России большого количества карбонатных глинистых грунтов являлось основной предпосылкой для проведения исследований. Для улучшения свойств карбонатных грунтов целесообразно использовать ПАВ анионактивного действия. Предлагаемые для строительства ПАВ такого вида не в полной мере отвечают предъявляемым требованиям, как по полученным свойствам обработанных глинистых грунтов, так и по потребительским свойствам (токсичность, незначительный ассортимент, зависимость от зарубежного производителя и т.д). Отмеченные аспекты действия ПАВ составляют научную основу их применения для управления химико-технологическими процессами в 21 гетерогенных (дисперсных) системах, в том числе и для управления устойчивостью дисперсных систем и структурообразованием в них. Рассмотрим подробнее строение ПАВ и механизм их влияния на грунты с целью выявления предпосылок выбора их состава для улучшения свойств глинистых грунтов. Учитывая вышесказанное, а также отличительные особенности анионактивных ПАВ, усиливающие положительный эффект воздействия на глинистую частицу, был выбран новый стабилизатор «T-RRP». Наличие одноименных отрицательных зарядов дает возможность образовывать довольно устойчивый, так называемый, двойной электрический слой, и лучше адсорбировать анионы на поверхностях благодаря большим радиусам. Анализ предпосылок выбора ПАВ позволил обосновать критерии подбора поверхностно-активных веществ для обработки глинистых грунтов. Учитывая малую изученность анионактивных ПАВ, а также широкую распространенность карбонатных разновидностей глинистых грунтов был выбран новый универсальный стабилизатор «T-RRP» а-нионактивного действия. Теоретические предпосылки выбора подтверждены современными методами электронной микроскопии, с помощью которых было установлено, что введение в глинистый грунт стабилизатора «T-RRP» в небольшом количестве приводит к образованию гидрофобной обволакивающей пленки вокруг зерна минерала. При этом происходит образование более плотной структуры микроагрегатов грунта. Применение небольшого количества цемента (до 2%) позволяет наряду с гидрофобными пленками создать новые связи цементационной природы, что указывает на изменение не только водно коллоидных свойств, но и прочностных характеристик. Установлено, что за счет более упорядоченных, симметричных форм микроагрегатов образуется более устойчивая структура материала. 22 2.2 Теоретические предпосылки выбора состав стабилизаторов для связных грунтов В различных областях науки и производства термину «стабилизаторы» отвечает широкий круг понятий. В дорожном строительстве, особенно при работе с грунтами, под стабилизаторами подразумеваются химические вещества и соединения, изменяющие физико-химические, физико- механические свойства грунтов, включая и структурные изменения. При этом использование стабилизаторов не всегда ставит своей целью повысить прочность грунтов, просто в результате изменения каких-либо свойств грунтов, например, снижение водона-сыщения, набухания, пыления происходит повышение прочностных показателей. В последние годы значительно расширился ассортимент материалов, используемых в качестве стабилизаторов. Стабилизаторы, как правило, представляют собой сложные химические соединения и, в основном, относятся к классу поверхностно-активных веществ [4]. Все разнообразные применения поверхностно-активных веществ основаны на фундаментальных закономерностях и механизмах влияния ПАВ: - на свойства поверхностей раздела фаз – маркроповерхностей и поверхностей дисперсной фазы в дисперсных системах (адсорбционное модифицирование поверхностей); - на объемные свойства жидкостей (растворов) - процессы мицеллообразования солюбилезации; Влияние ПАВ на свойства поверхностей раздела фаз определяется образованием ориентированных адсорбционных слоев молекул или ионов с различной энергией связи с поверхностью (от вполне обратимой «физической» адсорбции до хемоадсорбции и образования поверхностных 23 химических соединений). Непосредственным результатом образования адсорбционных слоев, т.е. поверхностной активности на различных границах раздела фаз оказывается адгезионное, в рассматриваемом случае, смачивающее действие ПАВ. Стабилизирующее действие ПАВ всегда связано с образованием структур в поверхностных слоях и прилегающих к ним объемах дисперсионной среды. Отмеченные аспекты действия ПАВ составляют научную основу их применения для управления химико-технологическими процессами в гетерогенных (дисперсных) системах, в том числе и для управления устойчивостью дисперсных систем и структурообразованием в них. Рассмотрим подробнее строение ПАВ и механизм их влияния на грунты с целью выявления предпосылок выбора их состава для улучше-ния свойств глинистых грунтов. Молекулы большинства ПАВ имеют дифильный характер и состоят из двух частей - полярной (гидрофильной) и неполярного углеводородного радикала (гидрофобного). При адсорбции на поверхностях раздела фаз ПАВ образуют слои ориентированных молекул. При этом полярные группы взаимодействуют с твердой поверхностью, а углеводородная часть молекул оказывается обращенной наружу. Подобная ориентация молекул приводит к гидрофобизации минеральных поверхностей (являющихся в большинстве случаев гидрофильными) за счет обращенных наружу длинных углеводородных цепей. В этом случае, если возникают химические связи между полярными группами молекул ПАВ и адсорбционными центрами на минеральных поверхностях, эффективность гидрофобизации существенно возрастает. Это происходит в случае применения ПАВ, обладающих химическим сродством с данным минеральным материалом. Ориентированные слои молекул ПАВ на межфазных поверхностях изменяют молекулярную природу поверхности и условия взаимодействия граничащих фаз. Необходимо отметить, что 24 эффективность действия ПАВ возрастает с увеличением длины углеводородных цепей. Адсорбция ПАВ на поверхностях и образование ориентированных мономолекулярных (а иногда и полимолекулярных) слоев молекул требует определенного времени. Скорость адсорбции зависит от ряда факторов, в том числе от скоростей диффузии молекул ПАВ, что особенно проявляется у веществ, характеризующихся Специфические свойства большой межфазных молекулярной поверхностей массой. обусловливают эффективность действия ПАВ в грунтовых системах. Прежде всего, это касается изменения условий смачивания грунтовой частицы водой и характера сцепления добавок или вяжущих с поверхностью грунта. По химической природе ПАВ разделяются на ионогенные и неионогенные. Первые соединения при растворении в воде диссоциируются на ионы, а вторые нет. Ионогенные ПАВ, в свою очередь, подразделяются на три основных типа: анионактивные, катионактивные и амфолитные (амфотерные). Анионактивные отрицательно заряженные образуют при диссоциации поверхностно-активные ионы в воде (анионы), катионактивные вещества - положительно заряженные ионы (катионы). Следовательно, в анионактивных ПАВ углеводородная часть молекулы входит в состав аниона, а в катионоактивных - в состав катиона; амфолитные ПАВ содержат две функциональные группы, одна из которых кислая, а другая основная. К четвертой группе ПАВ относят моющие вещества, обладающие высокой поверхностной активностью, смачивающим и гидрофи- лизирующим действием. Они применяются для эмульгирования и стабилизации эмульсий. Из всего обширного ассортимента ПАВ по механизму действия в дисперсных системах и, учитывая поставленную цель исследования, можно сказать, что целесообразнее всего использовать анионактив-ные ПАВ, 25 обладающие свойствами гидрофобизирующих реагентов и вместе с тем пластифицирующим действием. Рассмотренные выше виды гидрофобизации глинистых грунтов с применением ПАВ показали, что большей частью стабилизаторы используются для защиты природной структуры глинистых грунтов от увлажнения, а также для некоторого усиления природных структурных связей. Гидрофобные свойства грунт приобретает в течение первых трех дней, при этом может повышаться и прочность в водонасыщенном состоянии (до 4-9 кг/см2). Гидрбфобизация, вопреки распространенному в настоящее время мнению, не может считаться способом укрепления грунтов. Для повышения физико-механических свойств грунтов их необходимо обрабатывать вяжущими. В работах В.М. Безрука [4] отмечается, что наличие глинисто-коллоидной фракции вызывает трудности при обработке грунтов вяжущими, так как присутствие указанных частиц является носителем коагуляционных связей, что требует больших дозировок вяжущих для изменения физико-механических свойств грунтов. Наличие коагуляционных контактов придает структуре большую эластичность, но меньшую механическую прочность. Поэтому, с одной стороны, применение стабилизаторов для глинистых грунтов в какойто степени облегчает задачу обработки этих грунтов вяжущими, а с другой - позволяет получать материалы с более высокими показателями физико-механических свойств. Поскольку в задачи исследований не входило получение высокопрочных материалов, интересно было исследовать свойства грунтов, обработанных стабилизаторами и небольшими добавками традиционных в дорожном строительстве вяжущих. 26 Выводы по 2 главе. 1. Учитывая малую изученность анионактивных ПАВ а также широкую распространенных лессовых грунтов был выбран стабилизатор ТRRP анионактивного действия. 2. Теоретически показаны, стабилизатора Т-RRP что введение в лессовый грунт приводит к гидрофобной обволакивающий пленка вокруг зерна минерала. 3. В результате гидрофобной обволакивающий пленка вокруг зерна минералу происходит образование микроагрегатов лессового грунта. 27 более плотностной структуры 3. Экспериментальные исследование по применению стабилизаторов для улучшения свойства грунтов 3.1 Характеристика испытываемых грунтов При проведении исследований в лабораторных и полевых условиях с целью выявления влияния стабилизаторов на свойства уплотненного грунта использовали различные по генетическому типу и пластичности лессовые грунты (табл.3.1) аллювиальные и пролювиальные проникновения. 10 27.50 22.00 22.00 68.00 10.00 17.50 1780 25.01 16.96 20.15 85.25 12.60 14.58 1840 1 5.50 2 8.05 28 Оптимальная плотность, кг/м3 9 Макси- мальная Глина 8 влажность, % Пыль 7 (г.Гулистан-Охангаран) 6 (г. Ташкент) 5 супесь тяжелая пылеватая 4 суглинок легкий пылеватый Песок состав,% раскатывания, % границе текучести, % Гранулометрический Число пластичности дорога) Влажность (%) на 3 Пролювиальная лессовая 2 Аллювиальный лессовый 1 пробы, автомобильная № Грунты (место отбора Таблица 3.1. Характеристика лессовых грунтов 3.2 Планирование экспериментов До перехода к планированию эксперимента по определению расчетных характеристик лессовых грунтов, мы определили воспроизводимость данного процесса [23, 24]. Как известно планирование эксперимента - это постановка опыта по заранее составленным схемам, обладающим некоторыми оптимальными свойствами. Планирование преследует цель - получить максимум информации при минимуме затрат. До перехода к планированию эксперимента по определению расчетных характеристик лессовых грунтов, мы определили воспроизводимость данного процесса [23, 24]. Дисперсия воспроизводимости установили из соотношения n S 02 (У i 1 _ ij У) rj 1 ; (3.1) где: Уij - результаты наблюдений в параллельных опытах (i = 1, 2,…rj); _ У j - среднее значение параметра в r параллельных опытах; j f0 =rj-1- число степеней свободы, связанное с дисперсией воспроизводимости. Среднее значение выхода j - той серии опытов: _ У j = ΣУij / rj (3.2) Затем вычислили суммарную дисперсию: m S 2 S 2j ; i 1 29 (3.3) где m - число серий. Однородность дисперсии определили по критерию Кохрана, для чего вычислили расчетное значения этого критерия: Gp S 2j max s2 ; , (3.4) где Sjmax - максимальное значение дисперсии. Расчетное значение критерия сравнивается с табличным при К1=r–1 (число степеней свободы для числителя) и К2=m - число сравниваемых дисперсий. Если величина G р не превышает критическую, дисперсии однородны и процесс воспроизводим. Оценкой дисперсии воспроизводимости в данном случае является среднее арифметическое из всех дисперсий: n S y2 Отсюда определяем S i 1 2 j ;. m среднюю (3.5) квадратическую ошибку эксперимента, которая равна: _ SУ _ 2 = SУ ; 30 (3.6) 3.3 Результаты исследований 3.3.1 Свойства системы «глинистый грунт гидрофобизирующее ПАВ» Поверхностно-активные вещества применяются в малых количества до 0,005% по массе. Наибольший эффект изменения свойств системы зависит от минералогического состава, генезиса глинистого грунта, типа стабилизатора и обычно устанавливается в лаборатории экспериментальным путем. Изменения свойств систем «глинистый грунт гидрофобизирующее ПАВ» выполнялись на двух типах лёссовых суглинках и супесях. Суглинки взяты из ТКАД, а супеси из автомобилни дорога обход к Гулистан. На рис 3.1 показан график уплотняемости суглинка в зависимости от количества стабилизатора T-RRP Рис 3.1. Зависимость уплотняемости суглинка (g Пms) от количества стабилизатора T-RRP 31 Из графика на рис 3.1 следует, что для данного суглинка оптимальным является введение 300 мл стабилизатора на 1 м3 грунта. Для стабилизаторов T-RRP и Роадбонд определили максимальную плотность грунтов по методике ГОСТ 22733-77[25] с использованием воды и водных растворов ПАВ. Результаты опытов показаны на рис 3.2 и 3.3 Рис 3.2. Зависимость плотности сухого грунта от влажности при стандартном уплотнении супеси для: 1-воды; 2-водного раствора стабилизатора Роадбонд оптимальной концентрации; 3-то же, для стабилизатора T-RRP 32 Рис 3.3. Зависимость плотности сухого грунта от влажности при стандартном уплотнении суглинка для: 1-воды; 2-водного раствора стабилизатора Роадбонд оптимальной концентрации; 3-то же, для стабилизатора T-RRP В соответствии с теоретическими представлениями оптимальная влажность у супесей снижается на 25%, а максимальная плотность сухого грунта возрастает на 3% при применении стабилизатора T-RRP и практически не изменяется при применении стабилизатора Роадбонд по сравнению с необработанными грунтами. Для моренных суглинков, обработанных стабилизаторами, оптимальная влажность снижается на 9% , но плотность сухого грунта при этом возрастает на 2% (коэффициент уплотнения Ку=1,02). Одним из недостатков систем «глинистый грунт гидрофобизирующее ПАВ» является их низкая водоустойчивость. При помещении образцов в воду они теряют прочность и полностью разрушаются. 33 Для исключения этого в систему «глинистый грунт - T-RRP» было добавлено вяжущее. В качестве вяжущего использовали цемент марка 400. В лабораторных условиях исследовалась размокаемость образцов суглинка в воде в зависимости от количества цемента. Результаты показаны на рис 3.4 Рис 3.4. Зависимость размокаемости образцов суглинков в воде во времени: 1-суглинок при стандартном уплотнении; 2- система «суглинок - T-RRP»; 3,4-система «суглинок - T-RRP» соответственно при добавлении цемента в количестве 0,3%и 1,0%по массе; Из графиков на рис.4 следует, что размокаемость системы «глинистый грунт - T-RRP» снижается в 2 раза по сравнению с необработанным грунтом. При добавлении в систему «глинистый грунт - TRRP» цемента в количестве 1.0% по массе образцы практически перестают размокать и сохраняют связность. Следствием более высокой степени уплотнения грунтов, обработанных стабилизаторами, является повышение прочности, снижение деформируемости и водопроницаемости, повышение устойчивости к 34 неблагоприятным геологическим процессам. Проявление обработанных гидрофобных стабилизаторами, свойств может у глинистых привести к грунтов, изменению интенсивности процессов пучения при промерзании. Лабораторные эксперименты проведены на пылеватых супесях. Исследованы две серии параллельных образцов, пподготовленные образцы при оптимальной влажности 15% уплотнялись под действием постоянных сжимающих напряжений 0,6 МПа в течение 1 ч. В результате образец с Роадбондом имеет Ку=0,94, а без стабилизатора Ку=0,89. Опыты по исследованию деформации пучения проводились в условиях максимального пучения в открытой системе при капиллярном увлажнении образцов. Результаты опытов приведены на рис 3.5 Рис 3.5. Зависимость общей деформации пучения пылеватой супеси в открытой системе во времени: 1-супесь, обработанная стабилизатором Роадбонд; 2- супесь без стабилизатора. Общая величина деформации пучения грунта, обработанного стабилизатором, на 11,5% меньше общей величины деформации пучения 35 грунта, не обработанного стабилизатором. Вторая серия образцов при оптимальной влажности 15% подвергалась уплотнению под действием постоянных сжимающих напряжений, равных 1,0 МПа, в течение 1 ч для образца без стабилизатора и в течение 0,5 ч для грунта, обработанного стабилизатором. В результате этого грунт, обработанный стабилизатором Роадбонд, имел Ку=0,95, а необработанный Ку=0,94 Опыты по проморживанию проводились в закрытой системе без капиллярного увлажнения, что соответствует минимальному пучению. Результаты опытов приведены на рис 3.6. Рис 3.6. Зависимость общей деформации пучения пылеватой супеси в закрытой системе во времени: 1-супесь, обработанная стабилизатором Роадбонд; 2- супесь без стабилизатора 36 3.3.2 Расчетные характеристики стабилизированных лессовых грунтов в лабораторных условиях Для оценки влияния T-RRP на расчетные характеристики грунта в лабораторных условиях производили специальные исследования. При этом определяли деформационные и прочностные характеристики. Для определение значения статических модулей упругости как стабилизированных так и не стабилизированных лессовых грунтов применили рычажный пресс (рис. 3.7). Лабораторный рычажный пресс для испытания статической нагрузки Рис. 3.7. Испытания проводили на 6 образцах подготовленные из лессовых грунтов (см. табл. 3.1) различного по числу пластичности, уплотненных до плотности 0.94, 0.95, 0.96, 0.97, 0,98 и 1,0 d max при различной степени увлажнение т.е при 0.55, 0.60, 0.65, 0.70 Wт. Каждый из шести образцов данной влажности и плотности испытывали в один день на рычажном прессе. Образцы готовили в формах диаметра 0.15 м, диаметр штампа D =0.05 м. Модули упругости грунта ЕГР при различном удельном давлении Р вычисляли с применением зависимости, рекомендуемой для испытания 37 жестким штампом 27: Е ГР РD(1 ГР 2 ) 4lУ (3.7) ; где π/4 - коэффициент, учитывающий особенности нагружения жестким штампом; lУ - упругая деформация, мм; μГР =0.35. Согласно [27] во время испытаний грунтов применяли удельное давление Р в соответствии с таблице 3.1. Таблица 3.1. Величина осредненных удельных нагрузок Р (МПа) на поверхности грунта земляного полотна при различной его влажности Тип грунта Суглинки и глины Супеси Способ нагружения Относительная влажность, доли от Wm 0.55 0.60 0.65 0.70 статический 0.14 0.09 0.07 0.06 статический 0.14 0.09 0.07 0.06 Поскольку распределение численных значений модулей упругости лессовых грунтов по результатам их испытаний обычно достаточно близко к нормальному [27], для определения расчетного значения модуля упругости грунта при данной влажности ЕГР можно рекомендовать следующую зависимость Егр=ЕCP.ГP (1-СvE KB ); (3.8) где ЕСР.ГР - среднее значение модуля упругости грунта при данной влажности, МПа; СνЕ - коэффициент вариации модулей упругости зависящие от 38 относительной влажности; КВ - коэффициент, зависящий от допускаемой вероятности значений модуля - ниже данного ЕГР, по [27] КВ =1. Границы области 95 % доверительного интервала, определенные по формуле 23, 24: (х – tσ / n ) ‹ а‹ (х + tσ / n ) ; (3.9) где tσ / n = δ - точность оценки; n - объем выборки; t - Значение аргумента функции Лапласа Ф( t ); 2Ф( t )=1– α; α = 0.05. Пример расчета дисперсии воспроизводимости. Определены значения модуля упругости лессовых грунтов №8 при коэффициенте увлажнения КУВ= 0.70 и коэффициенте уплотнения КУ = 0.95, уплотненные статическим способом. Результаты экспериментов приведены в таблице 3.2. Расчет осуществляли в следующем порядке: _ 1 - для каждой серии рассчитывали средние значения У j по (3.2); 2 - для каждой серии - дисперсии S2J по (3.1); 3 - суммарную дисперсию S2 по (3.3), S2=21.76; I II III IV V VI 2 3 46.4 47.3 41.2 47.5 49.9 42.5 44.0 43.0 42.8 44.5 45.3 45.0 41.6 44.7 45.0 46.5 46.5 47.5 44.0 45.0 43.0 45.8 47.0 45.0 39 1 2 3 -2.4 -2.3 1.8 -1.7 -2.2 2.5 0 2 0.2 1.3 1.7 0 2.4 0.3 2.0 0.3 0.5 -2.5 S2J=(Δ21+ +Δ22 + +Δ23)/2 1 Номера i опытов Отклонение от среднего при трех опытах Δ=уIJ – уI Дисперсия Модуль упругости грунта при опытах уIJ, МПа Среднее значение по серии уJ в МПа № серии I экспериментов Таблица 3.2. Результаты расчета дисперсии воспроизводимости 5.76 4.69 3.64 2.33 3.99 6.25 4 - определяли расчетное значение критерия Кохрана Gр по формуле (3.4), Gр = 6.25/26.7 = 0.23. По табл. П.1.1 23 находим, что для К1 = 2 и К2 = 6 (число степеней свободы знаменателя) GК = 0.616. Так как GР ‹ GК или 0.29 ‹ 0.616, то процесс является воспроизводимым. Дисперсию воспроизводимости находим по формуле (3.5) _ 2 S У = 26.6/6 = 4.44. _ Средняя квадратичная ошибка S У = 2.1, что составляет 4.28 % от максимума Уij , которая меньше принятой 5 %. Результаты лабораторных испытание по определению модуля упругости исследуемых грунтов со и без стабилизатора приведены в таблице 3.3. Таблица 3.3 Сопоставление модуля упругости грунтов с и без стабилизатором. Номер эксперимента 1 Модул упругости образцов, МПа без стабилизатора со стабилизатором 44.0 50 2 45.0 51 3 43.0 50 4 45.8 53 5 47.0 56 6 45.0 54 Среднее значение 44.0 52 Из таблица 3.3 видно, что модуля упругости образцов грунтов без стабилизатора меньше чем со стабилизатора. Для оценки влияние определение T-RRP на прочностные характеристики, т.е при сопротивление сдвигу лессовых 40 грунтов использовали прибор Маслова-Лурье (ГГП-30). Прибор ГГП-30 состоит из следующих узлов: рабочего столика; срезывателя; загрузочного устройства, обеспечивающего передачу вертикального давления на образец грунта; подъемного устройства подвижной панели и механизма для передачи на образец на образец горизонтального сдвигающего усилия [26]. Прибор ГГП-30 конструкции Маслова-Лурье. Общий вид. Рис. 3.8 Уплотнение грунта производилось без бокового расширения в стандартном кольце от сдвигового прибора. Образцы грунта подготовлены следующим образом. Предварительно высушенный грунт просеивали через сито d=2мм и увлажняли до 0,55, 0,60, 0,65, 0,70 Wт. Для равномерного распределения влаги увлажненный грунт подержали в эксикаторе. После 24 часов подготавливали образцы, уплотненных до плотности 0.94, 0.95, 0.96, 0.97, 0,98 и 1,0 d max На рис. 3.9 а, б, в, г. показаны подготовки образцов грунта с стабилизаторами в лабораторных условиях: 41 а) взвешивания грунта б) подготовка TRR-P в) смешивает грунт + TRR-P 42 г) уплотнение грунтов под пресса Рис. 3.9. Подготовка образца грунта со стабилизаторами для определения прочности характеристик. Ставят кольцо с грунтом на прибора и дают вертикальную нагрузку. При помощи вертикальной нагрузки грунт сжимается. Потом дают постепенно горизонтальную (сдвигающую) нагрузку до тех пор, пока грунт не сдвинется. Это испытание производят 3 раза при вертикальном весе груза равном 2, 4, 6 кг. По результатам исследований построены следующие графики рис. 3.10, 3.11. Сдвигающее усиление S в кг/см2 График сопротивления сдвигу супеси пылеватой без стабилизатора. Вертикальное давление Р в кг/см2 Рис. 3.10 43 Сдвигающее усиление S в кг/см2 График сопротивления сдвигу супеси пылеватой со стабилизатором. Вертикальное давление Р в кг/см2 Рис. 3.11 Из графиков рис. 3.10 и 3.11 получено: Грунт без стабилизатора: - модуль упругости 52 МПа - угол внутреннего трения 43 0 - сцепления 0.33 кг/см2 Грунт, укрепленный стабилизатором: - модуль упругости 57 МПа - угол внутреннего трения 470 - сцепления 0.38 кг/см2 По полученным результатом можно сделать следующий вывод: у грунтов, обработанных стабилизатором увеличивается угол внутреннего трения и сцепления. Расчеты по определению дисперсии воспроизводимости для других физико-механических свойств уплотненных грунтов приведенные в таблице 3.4. свидетельствуют о том, что во всех случаях Gр ‹ Gк и средняя квадратичная ошибка меньше 5 %. 44 Таблица 3.4. Значения средних квадратичных ошибок Физико-механические свойства грунтов Сцепление Средняя квадратичная ошибка, в % от максимальных значений 2.7 Угол внутреннего трения 2.8 Модуль упругости 1.9 На основе метода математического планирования эксперимента, нами получены уравнения регрессии, характеризующие изменения расчетных характеристик лессовых грунтов без стабилизатора в зависимости от коэффициента уплотнения, расчетной влажности и числа пластичности, которые позволили сделать некоторые важные выводы. Для получения уравнения регрессии согласно [23-24] результаты экспериментальные работы по определению расчетных характеристик лессовых грунтов в зависимости от коэффициента уплотнения (КУ), расчетной влажности (WР) и числа пластичности (IР) в дальнейшем будем называть факторами. Для уточнения основных факторов, влияющих на величину расчетных характеристик, мы обследовали существующие и опытные участки автомобильных дорог. Обследования показывают, что в натурных условиях существуют: - коэффициент уплотнения КУ = 0.94 ÷ 1.00; - расчетная влажность WР = 0.55÷ 0.70; - число пластичности лессовых супесчаных грунтов IР = 1.0÷ 7.0 % и суглинистых грунтов7.0÷ 17.0 %. Определяем коэффициенты уравнения регрессии, позволяющие оценить вклад различных факторов для расчетных характеристик грунтов, в частности, модуля упругости лессовых супесей пылеватых Ебез ста-б, согласно зависимости: Е = f (КУ, WР, IР); 45 (3.10) Диапазон изменения факторов назначаем согласно таблице 3.5. Таблица 3.5. Диапазон изменения факторов Предел Факторы нижний средний верхний Интервалы КУ 0.94 0.97 1.0 0.03 WР 0.55 0.625 0.7 0.075 IР 1 4 7.0 3 Обозначим переменные величины - коэффициент уплотнения КУ, расчетной влажности WР и число пластичности IР соответственно через Z1, Z2, Z3 (таблице 3.6), “Е” через “У”. Данные столбца таблице 3.3.6, Zi – интервалы варьирования, получены согласно выражению: Таблица 3.6. Диапазон изменения факторов Z1, Z2, Z3 Предел Интервалы Факторы нижний средний верхний Z1 0.94 0.97 1.0 0.03 Z2 0.55 0.625 0.7 0.075 Z3 1 4 7.0 3 Zi = (Zimax–Zimin) / 2 , (3.11) где Zimax и Zimin - максимальные и минимальные значения факторов. Выражение (3.10) представим в виде: У=f (Z1, Z2, Z3) , (3.12) так как вид этой функции точно неизвестен, т. е. согласно работам [23, 24] в случае полного фактора эксперимента (3.12) можно разложить в степенной ряд вида: У = а0 + а1Z1 +а2Z2 + а3Z3 + а12Z1Z2 + а13Z1Z3 + а23Z2Z3 +а123Z1Z2Z3 (3.13) 46 В уравнении (3.13) коэффициенты а0,а1,а2,а3,… находятся на основе экспериментальных данных, для получения которых проведены эксперименты по плану ортогонального планирования [23]. При планировании эксперимента производится кодирование факторов по формуле: Хi= (Zi– Zi(n))/ Zi; где (3.14) Zi - максимум и минимум значения i - го фактора; Zi(n) - значение i - го фактора, выбранного между max и min значениями. В результате кодирования факторы Z1, Z2, Z3, Z4 соответствуют Х1, Х2, Х3, Х4 и примут вид на нижнем уровне -1, в среднем 0 , на верхнем + 1, т.е. таблице 3.12, примет вид таблице 3.13 а уравнения (3.13) - (3.15) Таблица 3.7. Кодирование факторов Предел Факторы Нижний Средний Верхний Х1 -1 0 +1 Х2 -1 0 +1 Х3 -1 0 +1 У=а0+а1Х1+а2Х2+а3Х3+а12Х1Х2+а13Х1Х3+а23Х2Х3+а123Х1Х2Х3 (3.15) Используя значения уровней факторов, составим план полного факторного эксперимента, приводя как натуральные значения, так и кодированные значения факторов (таблице 3.8). 47 Таблица 3.8. План полного факторного эксперимента Натуральные значения Z1 Z2 Z3 1.0 0.7 7 1.0 0.7 1 1.0 0.55 7 1.0 0.55 1 0.94 0.7 7 0.94 0.7 1 0.94 0.55 7 0.94 0.55 1 № 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. Х1 + + + + - Кодовые значения Х2 + + + + - Х3 + + + + - На основе этого плана по разработанной методике последовательно были проведены все 8 опытов в трехкратной повторности. С целью обобщения результатов проведенных экспериментов установим эмпирическую зависимость Уn = f (КУ, WР, IР). Для этого определим коэффициенты а0, а1, а2, а3, а4, а12, …,а1234, входящих в уравнение (3.15). Наиболее характерные результаты экспериментов приведены в таблице 3.15 которые используются при получении упомянутой эмпирической зависимости. Сделаем оценку коэффициентов линейного приближения по следующим формулам [24]: N аО У п / N ; n 1 N аi X i пУ п / N ; n 1 (3.16) N аi j X i п Х j пУ п / N ; n 1 N аi j X i п Х j п Х пУ п / N ; n 1 (i, j, η, γ = 1, 2, 3; i < j < η) где Xin, Xjn, Xn, - значения переменных в соответствии со столбцом матрицы 48 планирования; Уn - результаты n-го эксперимента; N - общее число элементов в матрице планирования (количество опытов). С помощью формул (3.16) суммированием результатов экспериментальных данных Уn соответствующих факторов и факторов взаимодействий в матрице планирования определим каждый коэффициент регрессии уравнения (3.15). Найденные таким образом значения коэффициентов следующие: а0 = 81.39; а1 = 13.60; а2=-4.52; а3= -6.10; а12= -0.56; а13= -0.44; а23= -0.31; а123= 0.06; Тогда напишем уравнение линейного приближения в следующем виде: У=81.39+13.60X1-4.52X2-6.10X3-0.56X1X2-0.44X1X3-0.31X2X3±0.06X1X2X3 (3.17) Проверим значимость коэффициентов в уравнении регрессии. Предварительно по данным таблице 3.9, как и выше определим дисперсии воспроизводимости, сумма которых равно: Таблица 3.9. Результаты экспериментов Натуральное Кодовое значение значение Уп,МПа Ку Кув Wр Iр X1 X2 X3 X4 1 2 3 Среднее значени е № 1 1.0 1.0 0.70 7 + + + + 89 87 85 87 2 1.0 1.0 0.70 1 + + + - 80 81 79 80 3 1.0 1.0 0.55 7 + + - + 101 100 105 102 4 1.0 1.0 0.55 1 + + - - 89 91 93 91 5 0.94 0.7 0.70 7 - - + + 71 72 67 70 6 0.94 0.7 0.70 1 - - + - 64 60 60 62 7 0.94 0.7 0.55 7 - - - + 86 81 82 83 8 0.94 0.7 0.55 1 - - - - 72 75 72 73 49 16 S i 1 2 Уi 73; Дисперсия оценок коэффициентов SY 2 SУi2 / n 73 / 16 4 / 56; Находим величину ошибки в определении оценок: _ S У 2.13; По 23, табл. П 1.2 находим величину критерия Стьюдента tК, соответствующую 7 степеням свободы при 5 % уровне значимости, которая равна tК = 2.13. Рассчитаем расчетную величину tР Стьюдента по формуле tiР = аi / S(У) Результаты расчета приведены в таблице 3.10 Таблица 3.10. Значения величины Стьюдента Для коэффициента А0 а1 А2 А2 а12 а13 t iР 2.86 6.42 2.25 2.90 0.26 0.20 На принятом 5% уровне ошибки значимыми являются коэффициенты, для которых tР tК = 2.13. Следовательно, коэффициенты а12, а13, а23, а34, незначимые. Теперь уравнение линейного приближения (3.15) можно записать в следующем виде: УЕ = 81.31 + 13.69X1 – 6.81X2 + 4.56X3 (3.18) Согласно (3.3.8) после раскодирование уравнение (3.18) будет иметь вид: УЕ = -288.9 + 453.472К У - 81.389WР + 1.493IР (3.19) Чтобы убедиться в том, что полученное уравнение с достаточной точностью описывает изучаемый процесс, рассчитываем с его помощью результаты элементов в матрице полного факторного эксперимента. Для 50 этого в уравнение (3.18) подставим значение Хi (+1 и -1) для каждой строчки. Результаты расчета приведены в таблице 3.17 Сопоставляя полученные результаты, Ур с данными эксперимента _ Уn, видим, что уравнение (3.18) воспроизводит процесс с некоторой погрешностью (см. таблице 3.17). Величина этой погрешности определяется дисперсии. Таблица 3.11. грунта Расчетные значения модуля упругости лессового Среднее опытное Ошибка _ / У n – Ур/2 значение У n , МПа Расчетное значение Ур, МПа / У n – Ур/ 1 2 3 4 5 1 87 87.91 -0.91 0.83 2 80 79.89 0.11 0.01 3 102 101.06 0.94 0.88 4 91 92.10 -1.1 1.21 5 70 70.68 -0.68 0.46 6 62 61.72 0.28 0.08 7 83 82.89 0.11 0.01 8 73 73.93 -0.93 0.86 № _ _ ей неадекватности и может быть рассчитана по формуле: 16 SАД = n 1 _ ( У n – Ур)2 / (N1–е1); (3.20) где е1 - число значимых коэффициентов в уравнении регрессии, включая а 0; N1 - число членов в уравнении регрессии. 51 Тогда расчетное значение S2АД = 14.3 / (8 – 5) = 4.76 Когда известна неадекватности, то дисперсия можно воспроизводимости определить отношение и дисперсия Fр, которое представляет собой расчетное значение критерия Фишера: Fр = S2АД / S2ВОСП = 4.76 / 4.56 = 1.04 Полученное значение Fр сравниваем с ее приведенным в 23] значением. При К1 = 3 и К2 = 8 FТАБЛ находим по таблице (см. П-1.4) 23] и получаем FТАБЛ = 2.45. Когда FР FТАБЛ, данное уравнение (3.318) достаточно хорошо описывает экспериментальные результаты, т.е. является адекватным, а разброс экспериментальных точек относительно этого уравнения соизмерим с ошибкой воспроизводимости. Измерителем качества подобного уравнения регрессии может служить коэффициент множественной корреляции, расчет которого обычно ведется по формуле: R 1 l N2 _ _ (У n У nР ) 2 ; _ где lN = У n У Р (см. таблице 3.17). Поэтому на основе приведенных выше расчетов получим l N2 = 18.64. Как отмечается в 23], чем ближе R= ± 1, тем лучше подобрано уравнение регрессии. В данном случае lN2 = 18.64, N1 = 8; _ У n _ У= _ / 8 = 648 / 8 = 81.0 _ Согласно таблице 3.9 ( У n У nР )2 = 732 = 5329; R = 0.99. 52 Найденное нами уравнение регрессии подобрано достаточно точно и хорошо описывает происходящий процесс. На основе расчетов получено уравнение регрессии для описания прочностных характеристик - удельное сцепление и угол внутреннего трения лессовых супесей пылеватых (грунты № 1, см. таблице 3.1) в зависимости от КУ, WР, IР в следующем виде: Удельное сцепление: УС=0.036+0.012X1–0.006X2+0.003X3; (3.21) Угол внутреннего трения: Уφ=29.25–3.12X2–1.37X3 (3.22) Уравнение регрессии для описания деформационных и прочностных характеристик - модуль упругости, удельное сцепление и угол внутреннего трения лессовых суглинков легких пылеватых (грунты № 2,см. таблице 3.1) в зависимости от КУ, КУВ, WР, IР имеет вид: Модуль упругости: УЕ = 79.69 + 13.7X 1 –16X2+ 3.56X3 -2.56X1X2; (3.23) Удельное сцепление: УС = 0.043 + 0.013X1– 0.008X2 + 0.002X3; (3.24) Угол внутреннего трения: Уφ = 23.10–7.37X2+3.25X1X3–1.13X2X3 – 1.62X2X3; 53 (3.25) 3.3.3 Деформационные и прочностные характеристики лессовых грунтов в полевых условиях В полевых условиях в каждой точке проводили испытания рычажным навесным прессом (рис. 3.12). Рис. 3.12. Удельные нагрузки на лессовые грунты земляного полотна прикладывали в соответствии с предложением 27. В зависимости от влажности грунтов при испытании и способа нагружения удельные нагрузки имели значения 0.030.2 МПа. В таблице 3.12 приводятся расчетные значения модулей упругости грунта ЕГР, при статическом действии нагрузки, определенные с применением зависимости (3.8). Таблица 3.12 Расчетные значения модулей упругости лессового грунта при статическом действии нагрузки. 54 Расчетная влажность Грунт 0.55 0.60 0.65 0.70 75 69 48 42 Супеси пылеватые, суглинки легкие пылеватые Наряду с определением статических и динамических модулей упругости рабочего слоя земляного полотна на опытном участке и на существующих автомобильных дорогах, устанавливали прочностные характеристики лессового грунта - угла внутреннего трения и сцепления-непосредственно на опытной секции с помощью специально сконструированного и изготовленного нами прибора одноплоскостного вращательного среза (а.с. № 1678969) 28. Конструкция степень прибора уплотнения позволяет грунта также контролировать коэффициент - уплотнения (приложение № 3). Прочностные одноплоскостного характеристики, вращательного сопоставляли со значениями определенные прибором среза, для контроля угла внутреннего трения и удельного сцепления, полученного в лабораторных условиях прибором Маслова-Лурье при испытании отобранных с места строительства монолитов грунта. После статистической обработки, обобщенные и осредненные (табл. 3.13 и 3.14) значения модуля упругости, сцепления и угла 55 внутреннего лабораторных трения и слессового полевых грунта, условиях в определенные в зависимости от коэффициента уплотнения и расчетной влажности с учетом выше указанных коэффициентов вариации были рекомендованы их расчетные значения. Таблица 3.13. Расчетные характеристики лессовых грунтов без стабилизатора Грунт 1 Супеси пылеват ые Коэффиц и-ент уплотнения КУ 2 Расчетные характеристики, при расчетной влажности, доли WТ 0.55 0.60 0.65 0.70 4 5 6 7 0.94 70/31 0.031 67/27 0.028 62/24 0.024 58/23 0.019 0.96 76/31 0.039 73/27 0.036 69/24 0.031 65/23 0.027 0.98 86/31 0.049 82/27 0.044 77/24 0.040 74/23 0.036 1.00 96/31 0.060 91/27 0.054 89/24 0.049 84/23 0.043 56 Таблица 3.14. Расчетные характеристики лессовых грунтов с стабилизаторами Грунт 1 Коэффиц и-ент уплотнения КУ 2 Супеси пылеват ые Расчетные характеристики, при расчетной влажности, доли WТ 0.55 0.60 0.65 0.70 4 5 6 7 0.94 78/33 0,036 75/28 0.032 69/25 0.028 65/24 0.022 0.96 85/33 0.045 82/28 0.041 77/25 0.036 73/24 0.031 0.98 96/33 0.056 92/28 0.051 86/25 0.046 83/24 0.041 1.00 107/33 0.069 102/28 0.062 100/25 0.056 94/24 0.049 Примечание: 1. В числителе: слева - модуль упругости, МПа; справа угол внутреннего трения, град.; знаменатель - удельное сцепление, МПа. Для расчета толщины дорожной одежды, зная расчетную влажность, коэффициент уплотнения и тип грунта, можно воспользоваться формулами (3.18) и (3.23), в которых учтены расчетные значения модулей упругости. Однако данными формул (3.18) и (3.23) при многих аргументах пользоваться не всегда удобно, так как значения модуля упругости в ней даны для дискретных расчетных коэффициентов влажностей уплотнения (КУ=0.92-1.00), (Wp=0.55,0.60,065,0.70WT), 57 число пластичности (IР=1÷7, IР=8÷17). В практике проектирования дорожных одежд часто используются промежуточные значения КУВ, WT и IР. Поэтому нами сделана попытка получить аналитическую зависимость модуля упругости от отмеченных выше показателей, позволяющую более точно определить его значения. По данным табл. 313а построены графики изменения модуля упругости лессовых супесей пылеватых в зависимости от Ку , Wр и Iр которые показаны по рис 1 и 2. Из анализа этих графиков можно сделать следующие выводы. 26 24 20 16 12 8 4 0 0.96 0.94 Граф. 1.Зависить упругости Е от 0.98 1.0 коэффициент упругости грунтов при W = 0.55Wт При значениях Ку =0.94, Iр =const, зависимости Е1 Wр (рис.1) 58 представлен прямым линиям. Зависимость Е1 Wр можно аппроксимировать следующим выражением: Е1 117 82W р ; (3.26) Однако зависимость (1) единица измерения модуль упругости грунта получается неопределенными. Поэтому используя некоторый математический прём в месте (1) получим следующие: Е1 Е0 (1,625 1.14W р ); (3.27) где: Е0 -значение модуль упругости грунта при Wр =0.55, т.е. Е0=72 МПа. Изменение Wр от 0.55 до 0.70 приводить уменьшение модуля упругости в среднем на 14 МПа. С увеличением Ку растет значение Е1. При других значениях Ку достаточно знать приращение Еу (рис.2), которое увеличивается с увеличением Ку и прибавляется к значению по формуле (2). 72 70 68 66 64 62 60 58 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 Граф. 1.Зависить модуль упругости лессовых грунтов от влажности Ку =0.94 59 Зависимость Еу Ку при Wр=0.55 можно аппроксимировать выражением: Е у 448.33К у 421.53; (3.28) или: Е у Е1у (17.24К у 16.21); где: 1 ЕУ (3.29) - значения приращения модуля упругости грунта при Ку=1.0 т.е. Е 1у =26 МПа. При изменение Ку от 0.94 до 1.0 модуля упругости грунтов увеличивается в среднем на 26 МПа. В итоге зависимость Е=f (Ку,Wр) для данного грунта при Iр= const будет иметь вид: Е без Е1 Е у Е0 (1.625 1.14WР ) Е1у (17.24К у 16.21); (3.30) Сравнение приведенных цифровых значений 14 МПа и 26 МПа позволяет сделать вывод о том, что модуль упругости грунтов при Iр =const, особое влияние оказывает плотность грунтов, далее влажность грунтов при испытании. Полученные таким образом характеристики лессовых грунтов рабочего слоя со и без стабилизатора от коэффициента уплотнения Ку и влажности грунтов при испытаний Wр имеют вид: 60 С без С 0 (2.45 2.61W p ) C 1 (16.67 К у 15.66) сщ 1 Е Е 0 (1.80 1.22W р ) Е у (19.13К у 17.99) С со С 0 (2.52 2.68W р ) С 1 (17.17 К у 16.12) со 0 (2.38 2.24W р ) без 0 (2.06 1.935W р ) где: 1 С - (3.31) приращения сцепления грунтов, увеличиваются с увеличением коэффициент уплотнения. При: Ку=1.0; 0 1 С =0.029 определение МПа; С0 =0.031; 0 =310; угол внутреннего трение уменьшение с увеличением влажности. При Wр = 0,55, 0 =310; Чтобы убедиться, что полученное уравнение действительно с достаточной точностью определяли дисперсией описывает изучаемый неадекватности и процесс, дисперсией воспроизводимости. Когда известна дисперсия воспроизводимости и дисперсия неадекватности, определяют отношение FР, представляющее собой расчетное значение критерия Фишера: FР = S2АД / S2ВОСП ; Полученное значение (3.32) FР сравниваем с ее табличным значением FТАБ по табл. П-1.3 и П-1.4 23]. Расчеты показывают, что во всех случаях FР ‹ FТАБ. Следовательно данное уравнение достаточно хорошо описывает результаты экспериментов, т. е. является адекватным, а разброс 61 экспериментальных точек относительно этого уравнения соизмерим с ошибкой воспроизводимости. Измерителем качества подбора уравнения служит коэффициент множественной корреляции R. Как отмечается в 23, чем ближе Rк + 1, тем лучше подобрано уравнение. В нашем случае R = 0.99, это подтверждает, что найденное нами уравнение подобрано достаточно точно и хорошо описывает происходящий процесс. Результаты исследований свойств грунтов и пробные расчеты конструкции дорожных одежд свидетельствуют о том, что при расчете дорожных одежд прочность в условиях засушливого климата и использовании лессовых грунтов при расчетной влажности и требуемом коэффициенте уплотнения критерий сдвигоустойчивости (в соответствии с ВСН 46-83) практически всегда обеспечивается. В худшем случае (при влажности 0.7W0) τДОП/ τ= 4 и условие Kпр<τДОП/ τ (где КПР - минимальное значение коэффициента прочности, определяемое с учетом заданного уровня надежности; τДОП допустимое напряжение сдвига в грунте; τ - активное напряжение сдвига в грунте от действия кратковременной или длительной нагрузки) выполняется. В реально влажности применяемых уплотнения, конструкциях, модуль упругости при снижении (при расчетной влажности) существенно повышается (до 18%), что отражается на конструкции дорожной одежды, рассчитанной по критерию упругого прогиба. Поэтому в этих условиях модуль упругости является в большинстве случаев определяющим. 62 Выводы по 3 главе. 1. Экспериментальные исследования проведенных в лабораторных условиях показали, что при применение стабилизатора T-RRP оптимальная влажность у супесей снижается на 25%, а максимальная плотность сухого грунта возрастает на 3%. 2. Размыкаемый системы «лессовый грунт – T-RRP» снижается в 2 раза по сравнению с необработанным грунтом. 3. Объем величины деформации пучения грунта, обработанного стабилизатором, на 11,5% меньше общей величины деформации изучения грунта, не обработанного стабилизатором. 4. Следствием более высокой степени уплотнения грунтов, обработанных стабилизаторами и понижение влажности, является повышение избыточности, снижение деформируемости, повышение устойчивости к неблагоприятным геологическим процессам. 63 4. Научные и производственные рекомендации по применению стабилизированных грунтов 4.1 Расчетные характеристики стабилизированных грунтов 1. В расчетах дорожных конструкций на прочность используют модуль упругости грунта Егр, коэффициент Пуассона μгр, угол внутреннего трения φгр, и удельное сцепление Сгр. 2. Расчетные характеристики грунта можно определить как при непосредственных испытаниях образцов в лаборатории, так и по данным пробного нагружения подстилающего грунта земляного полотна при расчетном состоянии. Расчетные характеристики допускается устанавливать в зависимости от вида грунта и его расчетной влажности, обусловленной природными условиями и особенностями его работы, по таблицам и графикам, приведенным в настоящем приложении. При проектировании усиления или реконструкции дорожной одежды расчетные характеристики грунта могут быть получены расчетом («обратным») существующей дорожной конструкции с учетом ее поведения в процессе многолетней эксплуатации. 3. Значения характеристик грунтов определяют в два этапа: сначаларасчетную влажность Wр, а затем параметры Егр, μгр и Сгр при расчетной влажности. Начальная плотность грунта, для которой устанавливают расчетную влажность WР, должна соответствовать требованиям ШНКа по проектированию автомобильных дорог. 4. Влажность грунта в активной зоне земляного полотна зависит от природно-климатических условий местности, а также от конструктивных особенностей участка дороги (вида грунта, конструкции земляного полотна, теплофизических свойств слоев дорожной одежды, наличия тех или иных мер по регулированию водно-теплового режима дорожной одежды и земляного полотна и др.). 64 Активной зоной считают верхнюю часть земляного полотна от низа дорожной одежды до глубины 1.3-1.6 м от поверхности покрытия. В этой зоне распространяются значительные напряжения от временных нагрузок, а водно-тепловой режим и состояние грунта наиболее изменчивы и зависят от погодно-климатических условий. 5. Для определения расчетной влажности Wр грунта необходимо _ располагать данными о его средней многолетней влажности W . Средние _ значения влажности автомобильных W дорог таб грунта в активной зоне земляного полотна с усовершенствованными покрытиями и традиционными основаниями дорожных одежд (щебень, гравий и др.), наблюдавшиеся в наиболее неблагоприятный (весенний) период года, приведены в МКН 44-2008 и МКН 46-2008 Расчетную влажность грунта следует устанавливать вероятностным методом ввиду временной (по сезонам и годам) изменчивости влажности грунта земляного полотна и необходимости рассчитывать дорожную конструкцию на прочность с заданным уровнем проектной надежности. Под расчетной влажностью WР грунта в этом случае подразумевают максимальное значение влажности грунта в пределах активной зоны земляного полотна, наблюдающееся в наиболее неблагоприятный период года (время, в течение которого грунт активной зоны наиболее увлажнен) хотя бы в одном году за срок между капитальными ремонтами дорожной одежды. Расчетную влажность дисперсного грунта Wp (в долях от влажности на границе текучести Wm) при суммарной толщине слоев дорожной одежды Z1 0,7 m определяют по формуле [МКН 46-2008]: W p Wтаб 1W 2W 1 0,1t 3 (4.1) где Wтаб - среднее многолетнее значение относительной (в долях от границы текучести) влажности грунта, наблюдавшееся в наиболее неблагоприятный 65 (весенний) период года в рабочем слое земляного полотна, отвечающего нормам ШНК по возвышению над источниками увлажнения, на дорогах с усовершенствованными покрытиями и традиционными основаниями дорожных одежд (щебень, гравий и т.п.), и при суммарной толщине одежды до 0,75 m, в зависимости от дорожно-климатической зоны и подзоны, схемы увлажнения земляного полотна и типа грунта; 1W - поправка на особенности рельефа территории; 2W - поправка на конструктивные особенности проезжей части и обочин; ∆3- поправка на влияние суммарной толщины стабильных слоев дорожной одежды; i – коэффициент нормированного отклонения, принимаемый в зависимости от требуемого уровня надежности; 8. Для районов, характеризующихся влажностью грунта, не превышающей оптимальной, в расчетах используют значения влажности, определенные экспериментальным путем. 9. Деформационные и прочностные характеристики грунтов как стабилизированные, так и не стабилизированные зависят от их влажности и коэффициент уплотнения. Нормативные значения расчетных характеристик глинистых грунтов в зависимости от коэффициента уплотнения и расчетной относительной влажности приведены в (табл. 3.13 и 3.14). 66 4.2 Экономические аспекты использования стабилизированных грунтов в земляное полотна автомобильных дорог Степень адекватности ввыполнения проекта. Заинтересованными предприятиями от выполнения проекта являются: ОО «FAYAN TRANS» и СДРСО «Автомагистраль» ГАК «Узавтойул». Значимость окончательных результатов: предлагаемые методы строительства дорог, по сравнению с традиционными способами дает следующее преимущество: - допустимая нагрузка на дорог, построенных с применением стабилизаторов, увеличивается более чем вдвое по сравнению с дорогами, построенными обычным способом; - уменьшение толщины дорожной одежды более чем на 25% на грунте, обработанном с помощью стабилизаторов; - построенные с применением стабилизаторов дороги из года в год увеличивают свою прочность; - улучшается прочность и устойчивость, водно-физических свойств глинистых грунтов используемых при возведении автомобильных дорог, аэродромов, гидротехнических сооружений; - строительство с применением стабилизаторов отвечает требованиям экологии, так как при этом не производится вредное влияние на грунтовые воды. Кроме выше отмеченных применении стабилизатора позволяет: - увеличить срок службы покрытий; - получать экономию средств на содержание и ремонт; - повысить темпы строительства; - повысить качества возводимых сооружений. Применение стабилизаторов в дорожном строительстве, в частности Т-RRP, дает следующие преимущества: 1. Экономия времени при строительстве. 67 2. Экономия обычных строительных материалов. 3. Отпадают транспортные расходы. 4. Экономия финансовых работ впоследствии. 5. Отсутствие ремонтных работ впоследствии. 6. Минимальное использование машин. 7. Минимальное использование рабочей силы. Пример ожидаемой экономической эффективности после завершения проекта: сопоставляем себестоимость строительства автомобильных дорог «Обход г. Гулистан» соответственно по проектному и предлагаемому методу: По проекту себестоимость конструкция строительства, сум. Покрытие По предлагаемой методике себестоимость строительства, конструкция сум. Покрытие Мелкозернистый плотный а/б, 5см + Мелкозернистый плотный а/б, 5см + Крупнозернистый пористый а/б, 7см + Крупнозернистый пористый а/б, 7см + Основание Черный щебень, 57599000 10см Основание Смесь: грунт (60%) + песок (40%), 55232799 стабилизированный ГПС, 32см 17076172 с Т-RRP, 40см Всего 74675172 55232799 Земляное полотно: грунтЗемляное полотно: грунтпылеватый суглинок пылеватый суглинок Итого: 74675172 55232799 Ожидаемый экономический эффект – за 500м – 19442373., а за 1км – 38884746сум. 68 Общие выводы 1. Применение «глинистые стабилизаторов грунты-гидрофобизирующее позволяет ПАВ» получить с системы управляемыми физическими свойствами. 2. Эффективность применения стабилизаторов возрастает по мере увеличения в грунтах связанной воды и будет тем больше, чем больше в грунте глинистых частиц. 3. Получение практического эффекта от обработки грунта возможно только после его уплотнения, степень которого будет выше, чем у исходного грунта. 4. Стабилизаторы с кислой реакцией типа Роадбонд нецелесообразно с использовать для карбонатных грунтов, имеющих щелочную реакцию. Стабилизатор T-RRP можно применять для этих грунтов без ограничения. 5. В системах «глинистый грунт-гидрофобизирующее ПАВ» снижается общая величина деформаций морозного пучения на 30-50%. 6. Экономический эффект от применения таких систем требует контроля и оценки в каждом конкретном случае, но может достигать 30% от стоимости дороги за счет применения местных стабилизированных грунтов, возможности снижения толщины дорожной одежды или повышения ее долговечности вследствие роста прочности обработанных стабилизатором грунтов. 69 Список использованной литературы 1. Безрук В.М. Укрепление грунтов в дорожном и аэродромном строительстве. М: Транспорт,1971. 2.Указ и Постановление президента Республики Узбекистан № УП4058 от 28 ноября 2008г, № ПП-1103 от 22апреля 2009г. 3.Информационный центр по автомобильным дорогам. Информационный сборник. Выпуск 5.Москва,1998. 4.Безрук В.М. Методы укрепления грунтов в дорожном строительстве США. М., Оргтрансстрой, 1961. 5.Проф., д-р геол-минерал. наук. В.М.Безрук Укрепление грунтов в дорожном и аэродромном строительстве Издательство «Транспорт» Москва 1971, с 245 6.Сергеев Е.М. Грунтоведение. М., Изд МГУ, 1959. 7.Ребиндер П.А. Адсорбционные слои и их влияние на свойства дисперсных систем. № 6, 1936. 8.Серб-Сербина Н.Н., Ребиндер П.А. Структурообразование в водных суспензиях бентонитовых глин. Коллоидный журнал, 1947, №5. 9.Кострико М.Т. Новый метод химического укрепления грунтов. Журнал « Автомобильные дороги »,1955,№4. 10.Марков Л.А., Парфенов А.П., Петрашев А.П., Пугачев Б.В., Черкасов И.И., Улучшение свойств грунтов поверхностноактивными и структуроогбразующими веществами «Автотрансиздат» Москва 1963,с 175. 11.Каюмов А.Д. II Республиканская научно- техническая конференция «Проблемы внедрения инновационных идей, технологий и проектов в производство» Сборник научных трудов 14-15 Май 2010, с 120-121. 12.«Методические рекомендации» по применению обеспыливающих материалов на дорогах с низшими типами покрытий, P PK 218-63 -2007 Астана 2008, с 110 70 13.Градостроительные нормы и правила «ШНҚ 2.05.02-07» Автомобильные дороги, Ташкент 2008, с 180 14.A experimental study on stability of lime stabilized soil under environmental effects / Gu Huan-da, Gu Xi. J. Univ. Sci. and Technol. Suzhou Eng. And Technol. 2004,N1,p 46-50. 15.Soil reinforcement with adhesive-coated fiberis/Brabston W.N.,Malone Ph .G/USA Secretary of the Army. N880414; Заявл. 8.5.92; Опубл. 31.12.96. 16.Москалин Федор Николаевич, Розенфельд А.А., Бейлин Я.Л. и др. Способ закрепления грунтов /Автомобильные дороги, 2000, №9, с 19-22. 17.Werner O. Sec Intertrade. E-Mail: Imdr.werner@gmx.de 18.Сополимерные эмульсии для стабилизации (упрочнения) всех видов почв и стабилизаторам управления грунтов и пылеобразованием. Информация пыли WWW.Soiltac.com Soilworks. по info@Soiltac.com. 19.Российская Федерация ООО «НПЦ АвтоДорТех». Технология ресурсосбережения на дорогах. 20.Журнал «Автомобильные дороги» 9/2005. 21. Stucco and Construction Materials Inc. www.stucoflex.com.ua 22.Морозова С.А Строительство лесовозных автомобильных дорог из стабилизированного грунта. Гослесбумиздат, 1960 23.Зельдович Я.Б., Мышкис А. Д. Элементы прикладной математики. М: Наука 1965, с 616 24.Ровенькова Т.А. Планирование эксперимента в производстве химических волокон. М: Химия 1977, с 176 25.ГОСТ 22733-77. Грунты. Метод лабораторного определения максимальной плотности. Введ 01.07.78. М:Изд-во стандартов, 1987 26. Чаповский Е.Г. Лабораторнқе работқ по грунтоведению и механике грунтов. М: Недра 1966 27. Министерство транспортного строительства. ВСН 46-83. Инструкция по проектированию дорожных одежд нежесткого типа, 71 «Транспорт» Москва 1985. с 156 28. А. с № 1678969./ Устройство для определения свойств грунтов. Бюлл. Изобр. 1991. № 35. 29. Постановление президента Республики Узбекистан № ПП-1446 от 21 декабр 2010г. 30. Шалфеев В. Силикатированное шоссе, ОГИЗ 1992. 31.Штюпель Г. Синтетические моющие и очищие средства. М, Госхимиздат, 1960. 32. http://www.lenzniiep.spb.ru/images/service_0/ror_7.jpg. 33. www.gusad.nnov.ru/?id=295. 34. www.newchemistry.ru. 35.www.uralnias.ru/.../ukreplenie_gruntov_s_nizkoy_nesuschey_ sposobnostyu-2.html. 72 ПРИЛОЖЕНИЯ 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84