Юшков Б.С., кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой Сергеев А. С., аспирант (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
ДВИЖЕНИЕ КОНСТРУКЦИИ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ
ПО СКЛОНУ И ОБРАЗОВАНИЕ ТРЕЩИН
Одним из путей удешевления дорожного строительства является более широкое использование местных строительных материалов, в частности грунтов. При этом особо важное значение приобретает совершенствование методов проектирования с всесторонним учётом и использованием природных факторов, влияющих на устойчивость дороги.
Основным условием обеспечения устойчивости и прочности системы «дорожная одежда - земляное полотно» является недопущение переувлажнения или чрезмерного колебания влажности грунта земляного полотна. В зимний период при промерзании насыпи дорожной одежды происходит подтягивание влаги в зону промерзания из нижележащих слоев, через слой глинистого грунта в слой земляного полотна. В дальнейшем при оттаивании (в весенний период) насыпи дорожной одежды происходит перенасыщение влагой слоя земляного полотна, так как коэффициент фильтрации глинистого грунта близок к нулю. Ежегодное повторение циклов промораживания-оттаивания земляного плотна приводит к накоплению влаги на стыке глинистого грунта и песка. Миграция влаги и льдообразование в этой зоне изменяют физические и механические свойства глинистого грунта, которое приводит к сползанию конструкции дорожной одежды по склону вниз.
Ключевые слова: эксперимент, влажность, давление, глинистый грунт, лоток, перемещение, опыт, смещение, земляное полотно, дорожная одежда.
MOVEMENT PAVEMENT STRUCTURE OF ROAD ALONG THE SLOPE
AND CRACKING
One of the ways to reduce the cost of road construction is a greater use of local building materials, in particular soil. This becomes particularly important improvement of design methods with a comprehensive account of the use of natural factors affecting the stability of the road.
The main condition for the sustainability and strength of the "pavement - subgrade" is to prevent waterlogging or excessive fluctuations in soil moisture roadbed. In winter, when freezing occurs embankment pavement pulling moisture from freezing in the area of the underlying layers through a layer of clay soil in a layer of subgrade. Later during thawing (in the spring) takes the mound pavement glut moisture layer of subgrade, as clay soil filtration coefficient is close to zero. The annual repetition of cycles of freezing and thawing earth dense leads to the accumulation of moisture at the intersection of clay soil and sand. Migration of moisture and ice formation in this zone alter the physical and mechanical properties of clay soil, which leads to the slipping pavement structure down the slope.
Keywords: experiment, humidity, pressure, clayey soil, tray, travel, experience, offset road bed, road pavement.
Целью лабораторных исследований являлось определение линейных перемещений дорожной конструкции автомобильной дороги вниз по склону при повторяющихся этапах промораживания-оттаивания, как в зимне-весеннее время года.
Экспериментальные лабораторные исследования были проведены в течение 152 суток, в экспериментальном лотке и смонтированном внутри контейнере без дна размерами 92х36х38 см и 28х17х12, (Рис. 1), в которых была имитирована конструкция сопряжения дорожной одежды и земляного полотна автомобильной дороги.
Рис. 2. Экспериментальный контейнер
На дно экспериментального лотка было уложено 34 см глинистого грунта. На глинистый грунт был уложен контейнер без дна с имитацией дорожной одежды с дренирующим слоем из чистого мелкозернистого песка толщиной 15 см и щебнем, (Рис. 3). Глинистый грунт имел следующие физико-механические свойства: Плотность Р 1,92 кН/м3, плотность сухого грунта Ра 1,58 г/см3, природная влажность W 0,22, удельный вес частиц грунта 15,52 кН/м3, коэффициент пористости е 0,738, плотность частиц грунта Р5 2,75 г/см3, пористость п 0,42, степень влажности Бг 0,82, полная влагоёмкость Wsat 0,27, предел текучести 1Ь 0,65, влажность на границе раскатывания Wp 0,11,число пластичности 1Р 0,17, влажность на границе текучести Шь 0,28.
Песок имел следующие физико-механические свойства: Плотность Р 1,54 кН/м3, плотность сухого грунта Р^ 1,27 г/см3, природная влажность W 0,20, удельный вес частиц грунта 75 12,49 кН/м3, коэффициент пористости е 1,081 , плотность частиц грунта Р5 2,65 г/см3, пористость п 0,52, степень влажности Бг 0,49, полная влагоёмкость Wsat 0,41.
Принимаем стандартную конструкцию дорожной одежды для Пермского края: Асфальтобетонные слои - 0,11 м (2,36 т/м3) Щебень - 0,18 м (1,3 т/м3)
Песок - 0,71 м (1,7 т/м3)
С = (Габ • ^аб + Ущ -Ьщ + Уп • Лап) • 5 =1,7 т
Давление от собственного веса дорожной конструкции на площадку 1 м2 составляет 1,7 т (давление 16,67719 кПа), что в масштабе эксперимента давление на содержимое контейнера составляет 0,793 кПа [1].
С
Щебень
с
Песок
»(Я
, ¡Л
■Т Жг г . > ■
0 Ш
Глинистый грунт
Рис. 3. Контейнер с имитацией дорожной одежды
На контейнер плавно, не допуская ударов была приложена вертикальная нагрузка, равная давлению от собственного веса дорожной конструкции автомобильной дороги 0,793 кПа.
Увлажнение глинистого грунта производилось с помощью трубок с отверстиями, проложенных по дну экспериментального лотка, (Рис. 4). Температура воды регулировалась системой автоматизированного контроля, которая поддерживала её положительной до +2°С [2].
Экспериментальные исследования проводились в лабораторном морозильном шкафу «Зил» имитируя процесс промораживание-оттаивание грунта (как в зимне-весенний период года) при температурах от +1 до -20 °С, (Рис. 5).
Рис. 4. Система увлажнение грунта с помощью трубок с отверстиями: 1 - Трубка с отверстиями; 2 - Датчик давления; 3 - Насос погружной
Рис. 5. Экспериментальный лоток в морозильном шкафу "Зил"
К корпусу экспериментального лотка были установлены 3 индикатора часового типа ИЧ 50, которые замеряли линейное перемещение контейнера по склону, (Рис. 6). С помощью модернизированного ручного домкрата один край экспериментального лотка был поднят от
горизонтальной поверхности для имитации максимального уклона дороги в 40 промилле, который рекомендует нормативная литература.
Рис. 6. Расположение индикаторов часового типа ИЧ 50
Встает вопрос о достоверности получаемых данных, так как с уменьшением числа опытов часто жертвуют точностью. Необходимо знать в каждом частном случае возможные границы уменьшения числа опытов и получаемую при этом достоверность. Минимизация числа экспериментов часто связано с тем, что постановка их является трудоёмкой и дорого стоящей задачей.
Минимальное необходимое число экспериментов можно определить, пользуясь формулой и задаваясь желательными пределами отклонения измеряемой величины от арифметической средней и доверительной вероятностью [1].
_ V2
^min _ р
"min
С уменьшением вероятности уменьшается число необходимых опытов: При ß _ 0,95, nmin _ 8
ß _ 0,9, nmin = 6 ß _ 0,8, nmin _ 4
Принимаем доверительную вероятность ß _ 0,95, при которой число минимальных этапов равно 8 [2].
Экспериментальные исследования проводились в 20 этапов промораживания-оттаивания. Один этап промораживания-оттаивания включал в себя 4 цикла температурных перепадов со стабилизацией грунта в течение 24 часов, приведенные в таблице 1.
1 Этап промораживания-оттаивания
Таблица 1
1 цикл
24 часа
понижение температуры с +1 до ■ 5 °С
а ас
ч 4 2
2 цикл
24 часа
понижение температуры с -5 до
20 °
а ас
ч 4 2
3 цикл
24 часа
повышение температуры с -20 до
-5 °
а ас
ч 4 2
4 цикл
24 часа
повышение температуры с -5 до
+1 °
С 12 этапа индикаторы часового типа зафиксировали линейные перемещения контейнера, приведенные в таблице 2, (Рис. 7).
Таблица 2
Линейные перемещение, мм
Этап ИЧ 1 ИЧ 2 ИЧ 3
12 0 0 0
13 1 1 2
14 2 2 3
15 4 5 5
16 6 6 7
17 6 6 6
18 6 7 7
19 7 8 8
20 7 8 8
Общая 39 43 46
Рис. 7. Перемещения контейнера по склону
Рис. 8. Схема линейных перемещений дорожной конструкции по склону 1 - Песчаный слой; 2- Щебеночный слой; 3 - Асфальтобетонные слои
На основании выполненных экспериментальных исследований промораживания-оттаивания грунта определим условия формирования трещин.
В верхних горизонтах грунтового массива начинается переход в лед части свободной воды и резко ускоряется формирование полей объемно-градиентных напряжений, возникающих еще при охлаждении [3].
При промерзании глинистого грунта происходит его пучение (увеличение в объеме). Грунт расположенный в точке А на поверхности, переместиться вверх параллельно склону в точку В на величину, равную максимальной величине пучения, (Рис. 8) [4].
При оттаивании, достигая границы раздела фаз, некоторой глубины (равной глубине расположения частицы) из точки В под действием сил тяжести происходит опускание дневной поверхности вертикально вниз в точку С, (Рис. 8). Величина смещения из точки А в точку С зависит от пучения, которое протекает по нормали к поверхности склона, и осадки, которое под действием силы тяжести развивается по вертикали.
Происходит смещение конструкции дорожной одежды на величину Ь из точки А в точку С на расстояние 46 мм вниз по склону, что приводит к образованию трещин в слое основания земляного полотна автомобильной дороги, (Рис. 9, 10) [5].
Повторяемость этой системы «оттаивания-смещения» конструкции дорожной одежды вниз по склону приведет к осыпанию части песчаного слоя во внутрь трещины. Под действием сил тяжести щебеночный слой переместиться вниз за песком, вследствие чего образуется пустота под монолитными слоями покрытия. Под действием динамической нагрузки от транспорта произойдет образование поперечной трещины в асфальтобетонном покрытии, (Рис. 10) [6].
Рис. 9. Схема смещения дорожной конструкции по склону 1 - Песчаный слой; 2 - Щебеночный слой; 3 - Асфальтобетонные слои
Рис. 10. Смещение дорожной конструкции по склону на автомобильной дороге улицы Центральной,
село Лобаново, г. Пермь
Исходя из вышеизложенного, можно заключить, что процесс образования и роста тре
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.