На правах рукописи

БУЯНХИШИГ Болд

ПРОГНОЗ ПОЛЗУЧЕСТИ ОБОЧИН ДОРОЖНЫХ НАСЫПЕЙ

И ДЕФОРМАЦИЙ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ С

УЧЕТОМ В СОСТАВЕ ГРУНТА ОБЛОМКОВ СКАЛЬНЫХ ПОРОД

(05.23.11Ч Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей)

А в т о р е ф е р а т

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва 2008

Работа выполнена в Московском автомобильно - дорожном институте (государственном техническом университете) на кафедре инженерной геологии и геотехники.

Научный руководитель: академик РАТ РФ, доктор технических наук, профессор Добров Э.М.

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Казарновский В.Д., заведующий лабораторией ОАО СОЮЗДОРНИИ;

кандидат технических наук, доцент Музафаров А.А., ведущий специалист ООО Стройрост - 41.

Ведущая организация: ОАО ГИПРОДОРНИИ.

Защита диссертации состоится 19 июня 2008 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК в Московском автомобильно - дорожном институте (государственном техническом университете) по адресу:

125319, Москва, А - 319, Ленинградский проспект, 64, ауд. 42.

Просьба высылать отзывы в количестве двух экземпляров, заверенные печатью, по указанному адресу. Копию отзыва просим прислать по

E-mail: uchsovet@madi.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ (ГТУ). Автореферат разослан "19" мая 2008 года

Ученый секретарь диссертационного совета

Кандидат технических наук, профессор Борисюк Н. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Практика строительства и эксплуатации автомобильных дорог свидетельствует, что весьма часто дорожные насыпи, параметры которых выходят за пределы типовых конструкций, испытывают во времени недопустимые деформации откосов и обочин. Эти деформации приводят, в конечном итоге, к преждевременному разрушению дорожных одежд и существенному увеличению ежегодных финансовых затрат на ремонт и содержание автомобильных дорог. Строительство и эксплуатация этих дорог часто ведутся в сложных инженерно - геологических условиях отличающихся наличием в первую очередь оползневых склонов, слабых оснований, грунтов повышенной влажности, высоких насыпей и глубоких выемок и т.п. В настоящее время многие природные условия и факторы, которые влияют на работу и поведение земляного полотна во времени, могут быть успешно учтены благодаря фундаментальным работам в области дорожного строительства Н.Н.Иванова, В.Ф.Бабкова, А.Я.Тулаева, Н.А. Пузакова, В.И.Сиденко, Г.М.Шахунянца, М.Н.Гольдштейна, В.П.Титова, И.Е. Евгеньева, В.Д. Казарновского, Э.М. Доброва, Г.С. Переселенкова и др.

Анализ показывает, что одной из причин неблагоприятного поведения конструкций насыпей является склонность глинистых грунтов, используемых для отсыпки насыпей, к развитию деформаций ползучести, которые проявляются не сразу после завершения строительства, а развиваются во времени постепенно. Прогноз интенсивности развития этих деформаций во времени и их своевременный учет при эксплуатации дорожной конструкции могут быть в настоящее время успешно реализованы, но лишь при возможности предварительной оценки физико - механических и особенно реологических свойств грунтов земляного полотна.

Однако при строительстве автомобильных дорог в горных условиях для отсыпки насыпей используются, как правило, покровные делювиальные грунты или грунты, получаемые в результате разработки выемок. В том и другом случае грунты часто характеризуются наличием в своем составе значительного (более 10%) количества включений обломков скальных пород, существенно влияющих на их геотехнические свойства. Присутствие в грунтах крупнообломочной фракции не только существенно меняет их свойства и методически осложняет проведение инженерно- геологической оценки их физико - механических свойств в лабораторных и полевых условиях, но и практически полностью исключает возможность использования существующих методик для оценки реологических характеристик и, в первую очередь, динамической вязкости.

Раскрытие в диссертации этой важной и актуальной темы позволит более обоснованно подходить к использованию для отсыпки дорожных насыпей крупнообломочных грунтов, исключая возможность развития во времени недопустимых деформаций ползучести их обочин, повышая тем самым их стабильность и безопасность движения автомобильного транспорта.

Цель диссертационной работы. Разработать методику прогноза развития во времени деформаций ползучести обочин дорожных насыпей, отсыпаемых из грунтов, содержащих в своем составе значительное количество скальных обломков крупнообломочной фракции.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

обобщить существующую информацию по геотехническим и свойствам глинистых грунтов, используемых для отсыпки дорожных насыпей, в том числе и содержащих крупнообломочную фракцию;

выполнить анализ известных методов расчета устойчивости откосов земляного полотна автомобильных дорог и применяемым методам оценки реологических характеристик грунтов;

разработать теоретические основы методики оценки реологических характеристик глинистых грунтов, содержащих крупнообломочную фракцию, и научно обосновать требования к параметрам и методике их определения;

реализовать практически предложенную методику для получения результатов экспериментальных исследований реологических свойств грунтов, содержащих в том или ином количестве крупнообломочную фракцию, и выявления их особенностей;

установить количественную взаимосвязь между деформациями ползучести элементов обочин дорожных насыпей и ограждающими конструкциями;

установить минимально допустимые величины динамической вязкости исследуемых глинистых грунтов, исходя из допустимых деформаций ограждающих конструкций, категории автомобильной дороги, капитальности покрытия и межремонтных сроков их службы.

Научная новизна

Теоретически обоснована и практически реализована новая методика оценки динамической вязкости грунтов, содержащих более 10 % крупнообломочной фракции;

экспериментально выявлена степень влияния крупнообломочной фракции на компрессионные и реологические характеристики грунта;

теоретически выявлены особенности развития во времени деформаций ползучести обочин дорожных насыпей с учетом крутизны ее откосов;

установлены минимально допустимые величины динамической вязкости грунтов, содержащих крупнообломочную фракцию, с учетом категории дороги, уровня капитальности покрытий и предельно допустимых деформаций ограждающих конструкций;

для практического мониторинга поведения конструкций дорожных насыпей и своевременного принятия превентивных мер по увеличению их стабильности в эксплуатационный период рекомендованы максимально допустимые скорости осадок бровок откосов, также учитывающих категорию дороги, уровень капитальности покрытий и величину предельно допустимых деформаций ограждающих конструкций;

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

На защиту выносятся

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

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

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

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

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

Апробация работы и публикации

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

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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