Целью исследования состояния глинистых грунтов по материалам геологических изысканий являлось: определение изменения средней влажности грунтов по глубине опробования в естественных условиях, уточнение коэффициента вариации влажности по результатам экспериментальных данных, определение расчетной влажности и механических характеристик грунта. Тема исследования является актуальной, так как расчетная влажность грунта при проектировании и расчете конструкции дорожной одежды по нормативным источникам [6] определяется с помощью усредненного по РФ коэффициента вариации, равного 0,1. Определение фактического значения коэффициента вариации в Маритурекском районе РМЭ по материалам экспериментальных исследований отличается от нормативного. Это в конечном значении изменяет механические характеристики грунтов, что оказывает влияние на толщину конструктивных слоев дорожной одежды.
Все эти параметры в совокупности со схемой нагружения лесовозных автомобилей являются определяющими в формировании конструкции дорожной одежды.
Изучение состояния глинистых грунтов в естественных условиях, изменение средней влажности грунтов по глубине опробования проводились путем геологических изысканий, проведённых при проектировании дорог в Маритурекском районе Республики Марий Эл. Рассмотрено строение грунтов на автодорогах, протяжённостью 38,85 км, с бурением 134 скважин. Физико-механические характеристики грунтов представлены в материалах изысканий автомобильных дорог по Мари-Турекскому району Республики Марий Эл [2].
Геологический разрез по оси трассы в Мари-Турекском районе представлен суглинками четвертичного возраста и глинами пермского возраста. Прослойки мелких, средних и пылеватых песков встречаются на глубинах 1,5–4,5 м.
Республика Марий Эл покрыта лесами второй и первой группы. В ряде районов пункты переработки древесины находятся в населённых пунктах за пределами лесных массивов, в связи с этим лесовозные дороги располагаются не только в лесу, но и на пашне и вблизи населённых пунктов.
Изменение средней природной влажности грунтов по глубине опробования представлены в табл. 1 и табл. 2.
Анализ изменения средней природной влажности грунтов на пашне показал, что она увеличивается с 22,1 % до 29,7 % при глубине опробования 1–7 м. В лесном массиве средняя природная влажность глинистых грунтов также увеличивается с 22,4 % до 30,5 % при глубине опробования 1–5 м.
Таблица 1
Средняя природная влажность глинистых грунтов на пашне
|
№ |
Наименование района |
Средняя природная влажность грунтов, (%) по глубине опробования, (м) на пашне |
|||||||||
|
|
|
1 |
2 |
3 |
5 |
7 |
9 |
12 |
15 |
20 |
|
|
1 |
Мари-Турек. |
22,1 |
22,3 |
23,2 |
27,9 |
29,7 |
- |
- |
- |
- |
|
Таблица 2
Средняя природная влажность глинистых грунтов в лесном массиве
|
№ |
Наименование района |
Средняя природная влажность грунтов, (%) по глубине опробования,(м) в лесном массиве |
||||||||
|
|
|
1 |
2 |
3 |
5 |
7 |
9 |
12 |
15 |
20 |
|
1 |
Мари-Турек. |
22,4 |
27,1 |
28,2 |
30,5 |
- |
- |
- |
- |
- |
Абсолютные значения природной влажности грунта не отражают в полной мере состояние грунта. Для сопоставления состояния разных грунтов был предложен показатель относительной влажности грунта, определенный по формуле:
(1)
где Wпр – природная влажность грунта, %;
Wт – влажность грунта на границе текучести, %.
На глубине опробования 1–2 м расположена активная зона земляного полотна, где практически затухают нормальные и касательные напряжения от автомобильной нагрузки. Поэтому исследовались грунты ниже этой зоны, взятые с глубины 2–3 м.
В процессе обработки экспериментальных данных была принята гипотеза о нормальном распределении результатов замеров влажности грунтов. Проверка гипотезы изложена в [2].
Кривые распределения вероятностей относительной влажности грунта на пашне при глубине опробования 2 м представлены на рис.1.
Рис. 1. Кривая распределения вероятностей относительной влажности на пашне при глубине опробывания 2 м
Кривые распределения вероятностей относительной влажности грунта в лесном массиве при глубине опробования 1 м представлены на рис. 2.
Рис. 2. Кривая распределения вероятностей относительной влажности в лесном массиве при глубине опробывания 1 м
Для проведения расчётов по обоснованию конструкции дорожной одежды необходимо знание коэффициента вариации грунтов на лесовозной дороге.
Коэффициент вариации влажности рассчитывается по формуле
(2)
где s – среднее квадратичное отклонение;
– относительная влажность грунта.
Полученные экспериментальные данные значений влажности по Республике Марий Эл и их статистическая обработка дали возможность более точно определить значение этого параметра. Результаты замера влажности глинистых грунтов обрабатывались с помощью программы EXCEL.
Результаты расчетов по формуле (2) с учетом статистической обработки значений природной влажности грунтов (Wпр) представлены в табл. 3 и табл. 4.
Таблица 3
Коэффициент вариации влажности глинистых грунтов на пашне
|
Наименование района |
Коэффициент вариации (Gv) |
Среднее значение относительной влажности (Wo) |
Оценка среднего квадратического отклонения (G) |
||||||
|
При глубине опробования, м |
|||||||||
|
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
|
|
М-Турекский. |
0,138 |
0,155 |
0,156 |
0,58 |
0,61 |
0,60 |
0,080 |
0,095 |
0,094 |
Таблица 4
Коэффициент вариации влажности глинистых грунтов в лесном массиве
|
Наименование района |
Коэффициент вариации (Сn) |
Среднее значение относительной влажности (Wo) |
Оценка среднего квадратического отклонения (G) |
||||||
|
При глубине опробования, м |
|||||||||
|
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
|
|
М-Турекский |
0,156 |
- |
0,117 |
0,54 |
- |
0,59 |
0,084 |
- |
0,069 |
Анализ данных табл. 3 и табл. 4 показывает, что коэффициент вариации влажности глинистых грунтов на пашне и в лесном массиве в 1,38–1,56 раза больше нормативного, равного 0,1 [1]. Наибольшее отклонение от нормативного наблюдается на глубине опробования 1 м в лесном массиве. Эти значения коэффициента вариации приводят к значительному увеличению расчетной влажности грунта. С увеличением глубины опробования коэффициент вариации влажности глинистых грунтов уменьшается в лесном массиве в среднем на 25 %.
С увеличением глубины опробования на пашне коэффициент вариации влажности глинистых грунтов увеличивается на 12 %.
Далее по формуле (3) определяется расчетная влажность грунта при фактическом значении коэффициента вариации.
Величину расчетной влажности устанавливают с учетом уровня проектной надежности по известной формуле [1]:
(3)
где 
– среднее многолетнее значение относительной (в долях от границы текучести) влажности грунта, наблюдавшееся в наиболее неблагоприятный период года, в рабочем слое земляного полотна, отвечающего нормам СНиП 2.05.02-85 по возвышению над источником увлажнения, и при суммарной толщине одежды до 0,75 м, определяемое по табл. П.2.1 [1] в зависимости от дорожно-климатической зоны и подзоны, схемы увлажнения земляного полотна и типа грунта;
– поправка на особенности рельефа территории;
– поправка на конструктивные особенности проезжей части и обочин;
D3 – поправка на влияние суммарной толщины стабильных слоев дорожной одежды;
t – коэффициент нормированного отклонения, принимаемый в зависимости от заданного уровня проектной надежности конструкции дорожной одежды;
Cn – коэффициент вариации влажности.
Она рассчитывалась для лесовозных автодорог I-в – IV-в категорий двух типов покрытий, а именно для облегченного типа c усовершенствованным покрытием при коэффициенте нормированного отклонения t=1,06 и для капитального типа с усовершенствованным покрытием, при t=1,32 [1]. Результаты расчетов сведены в табл. 5 и табл. 6.
Таблица 5
Расчетная влажность глинистых грунтов для усовершенствованных покрытий облегченного типа
|
Наименование района |
Расчетная влажность, в долях от Wт на пашне |
Расчетная влажность, в долях от Wт в лесном массиве |
||||||
|
При глубине опробования, м |
||||||||
|
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
|||
|
Мари-Турек. |
0,67 |
0,71 |
0,70 |
0,64 |
|
0,66 |
||
Таблица 6
Расчетная влажность глинистых грунтов для усовершенствованных покрытий капитального типа
|
Наименова-ние района |
Расчетная влажность, в долях от Wт на пашне |
Расчетная влажность, в долях от Wт в лесном массиве |
||||
|
При глубине опробования, м |
||||||
|
1 |
2 |
3 |
1 |
2 |
3 |
|
|
Мари-Турекский |
0,68 |
0,73 |
0,72 |
0,65 |
|
0,68 |
Анализ значений расчетной влажности глинистого грунта в условиях Республики Марий Эл показывает, что она выше оптимальной для глинистых грунтов на (0,1 –0,4) Wт.
Значения расчетной влажности и модуля упругости глинистых грунтов при нормативном коэффициенте вариации, равном 0,1 [1] и фактическом его значении для усовершенствованных покрытий облегченного и капитального типа приведены в табл. 7 и табл. 8.
Таблица 7
Значения расчетной влажности и модуля упругости глинистых грунтов при фактическом и нормативном коэффициенте вариации для усовершенствованных покрытий облегченного типа
|
Наименование районов |
Глубина опробования, м |
Расчетная влажность грунта, в долях от Wт при t=1,06 |
Модуль упругости грунта, МПа, при t=1,06 |
|||
|
При коэффициенте вариации |
||||||
|
фактическом |
нормативном |
фактическом |
нормативном |
|||
|
Мари-турекский |
1 |
0,67 |
0,64 |
37 |
54 |
|
|
2 |
0,71 |
0,67 |
40 |
46 |
||
|
3 |
0,70 |
0,66 |
41 |
48 |
||
Таблица 8
Значения расчетной влажности и модуля упругости глинистых грунтов при фактическом и нормативном коэффициенте вариации для усовершенствованных покрытий капитального типа
|
Наименование района |
Глубина опробо-вания, м |
Расчетная влажность грунта, в долях от Wт при t=1,32 |
Модуль упругости грунта, МПа, при t=1,32 |
|||
|
При коэффициенте вариации |
||||||
|
фактическом |
нормативном |
фактическом |
нормативном |
|||
|
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
|
|
Мари-турекский |
1 |
0,68 |
0,65 |
44 |
50 |
|
|
2 |
0,73 |
0,69 |
37 |
43 |
||
|
|
3 |
0,72 |
0,68 |
38 |
45 |
|
По приведенным результатам видно, что расчетная влажность грунтов по экспериментальным данным выше, чем по нормативу на (0,03-0,04) Wт. Это приводит к снижению модуля упругости грунта на 6 МПа.
Значения механических характеристик глинистых грунтов, таких как сцепление, уменьшилось до величины 0,005–0,006 МПа, угла внутреннего трения до 8–7,50.
Несущая способность верхнего слоя грунта земляного полотна снижается, увеличиваются сдвиговые деформации. Это обстоятельство предполагает проведение мероприятий по осушению верхней части земляного полотна и снижение фактической влажности до оптимальной в пределах (0,45-0,65) Wт.
Выводы
1. В результате изучения в естественных условиях путем геологических изысканий, проведенных при проектировании дорог в Маритурекском районе Республике Марий Эл, были определены региональные показатели состояния глинистых грунтов, такие как коэффициент вариации, средняя и расчетные влажности.
2. Грунты на пашне и в лесных массивах РМЭ представлены глинами и суглинками. Консистенция грунтов меняется от твёрдой до текучей
3. Коэффициент вариации влажности грунтов в исследуемом районе выше нормативного в среднем на 25 %.
4. Расчетная влажность грунтов для усовершенствованных покрытий облегченного типа в активной зоне земляного полотна выше оптимальной на (0,03-0,04)Wт.
5. Статистическая обработка экспериментальных данных влажности грунтов подтвердила принятую гипотезу об их нормальном распределении.
6. Снижение модуля упругости и сдвиговых характеристик глинистых грунтов предполагает проведение мероприятий по осушению верхней части земляного полотна и снижение фактической влажности до оптимальной в пределах (0,45-0,65) Wт.
Рецензенты:
Савельев В.В., д.т.н., профессор кафедры строительного производства Чебоксарского политехнического института (филиала) Московского государственного открытого университет», г. Чебоксары.
Смирнов М.Ю., д.т.н., профессор кафедры Транспортно-технологических машин ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный технологический университет», г. Йошкар-Ола.