Методика определения модуля упругости грунтов с применением малогабаритных установок динамического нагружения

В статье представлена методика контроля качества устройства слоев основания дорожной одежды с покрытием из искусственных камней мощения, научно- теоретические предпосылки, определяющие ключевые параметры, подлежащие контролю в процессе строительства, а также последовательность выполнения промежуточного контроля на объекте с помощью измерителя модуля упругости ПДУ-МГ4 «Удар». Приведены результаты натурных исследований. За основной критерий оценки пригодности к эксплуатации слоев основания принято обеспечение требуемой величины упругого прогиба конструкции.

Эффективность

Искусственные камни мощения являются эффективным решением при благоустройстве территорий для движения пешеходов и легкого транспорта, а также для обеспечения эксплуатационной надежности конструкций покрытий под повышенные нагрузки. Существуют технологии использования мощения в различных конструкциях дорожных одежд, в том числе аэродромных покрытий, а также в покрытиях набережных, портовых терминалов, железнодорожных платформ. Искусственные камни положительно зарекомендовали себя в качестве материала, обеспечивающего высокие технологические и эксплуатационные показатели, в сравнении с другими типами покрытий.
Повышение надежности и долговечности конструкций дорожных одежд, в том числе с применением искусственных камней мощения, является одной из основных задач, решаемых еще на стадии проектирования. Эффективность принимаемых инженерных решений должна обеспечиваться выполнением соответствующих технико-экономических расчетов, а после, на период строительства - качественным исполнением проектных решений.

В Российской Федерации для оценки качества уплотнения конструктивных слоев основания и подстилающего слоя применяется метод сравнения плотности выемки грунта с плотностью того же грунта, полученной в лабораторном приборе стандартного уплотнения «СоюздорНИИ». Результатом сравнения является коэффициент уплотнения K_y. Данный метод оценки качества уплотнения будет определен минимум через сутки, когда изменить плотность грунта бывает сложно или уже невозможно. К тому же в некоторых случаях, например, для крупнообломочных грунтов и щебеночных слоев оснований, коэффициент уплотнения лабораторным способом определить либо не представляется возможным, либо может вызывать большие затруднения.

Следует отметить, что коэффициент уплотнения или плотность грунта не позволяют оценивать долговечность дорожного полотна. Гораздо важнее контролировать в процессе строительства прочностные и деформационные свойства конструктивных слоев дорожных одежд, поскольку именно они согласно ОДН 218.046-01, используются при проектировании. Поэтому более корректно осуществлять контроль путем сопоставления прочностных и деформационных характеристик, измеренных фактически на строительном объекте, с проектными.

В качестве альтернативного варианта - качество устройства, конструктивных слоев дорожной одежды можно контролировать по модулю упругости конструктивных слоев основания и грунтов земляного полотна. Модуль упругости, установленный штамповыми испытаниями, должен соответствовать расчетному значению, принятому при проектировании дорожной одежды. В свою очередь, применяемая, для этой цели, методика выполнения традиционных штамповых испытаний отличается сложностью и трудоемкостью, что связано с монтажом тяжелого оборудования, специальной подготовкой грунтов к испытаниям, затратами времени на изучение характера осадки, что не всегда приемлемо при сжатых сроках выполнения строительных работ. Поэтому в подобных случаях допускается применение динамических штамповых испытаний, которые позволяют значительно быстрее оценить модуль упругости контролируемой группы слоев. Но, к сожалению, на сегодняшний день для малогабаритных установок динамического нагружения отсутствует методика оперативного контроля качества устройства слоев основания дорожной одежды, путем сопоставления проектного и измеренного модулей упругости. Здесь следует отметить, что методика должна иметь непосредственную связь с проектом в части контролируемых величин. Только в этом случае запроектированные решения могут быть максимально полно реализованы в процессе строительства.

Актуальность

Покрытие из искусственных камней мощения является промежуточным между жесткими и нежесткими одеждами. В отечественной практике для проектирования подобных дорожных одежд используется РМД 32-18-2012, где содержатся рекомендации по применению мощения на территориях жилой и общественно-деловой застройки. Причем расчеты принято выполнять как для нежестких дорожных одежд по ОДН-218.046-01, в соответствии с которым одним из основных при проектировании дорожных одежд, является расчет по критерию упругого прогиба. Данный расчет является первоочередным при назначении характеристик слоев основания и подстилающего грунта. В нем в качестве основных входных параметров используются несколько величин:

• модули упругости слоев основания дорожной одежды и подстилающего грунта;
• толщины конструктивных слоев;
• диаметр отпечатка колеса (штампа).

Если нахождение последних двух исходных величин не вызывает трудностей, то контролирование на строительном участке первой характеристики является наиболее актуальной задачей, решение которой выглядит немного сложнее.

Актуальность задачи обусловливается необходимостью контроля достигнутого в процессе строительства (в результате уплотнения или применения различных химических добавок) модуля упругости слоев путем сопоставления их с проектными значениями. Существенные расхождения в значениях могут приводить к различного рода деформациям, снижению долговечности покрытия, а также увеличению расходов на текущее содержание.

При строительстве сложность определения текущего (фактического) модуля упругости слоев основания и грунтов земляного полотна заключается в выделении модуля конкретного слоя из общего модуля упругости контролируемой конструкции. Последнее обусловлено спецификой работы малогабаритных установок динамического нагружения (рис. 1), а именно тем, что плита, через которую выполняется передача давления, располагается на поверхности некоторой группы слоев основания.

Поэтому измеренный модуль будет эквивалентным для этой группы слоев, а при проектировании, в соответствии с расчетной методикой ОДН 218.046-01, определяется эквивалентный модуль упругости всей конструкции (рис. 2).

Таким образом, общая задача проверки качества устройства слоев основания дорожной одежды с покрытием из камней мощения сводится к сопоставлению полученных в процессе контроля общих модулей для каждой группы слоев с проектными величинами. Аля этой цели необходимо, используя проектные значения модулей упругости слоев, определить теоретические величины эквивалентных модулей для контролируемых групп слоев.

Для определения теоретического общего модуля для двухслойной конструкции необходимо воспользоваться формулой (1).

где i - номер рассматриваемого слоя дорожной одежды, считая сверху вниз (i = 1, 2, 3); h_i - толщина i-го слоя, м;
D - диаметр нагруженной плошали, м; E⁽ⁱ⁺¹⁾_общ - общий модуль упругости полупространства, подстилающего i-й слой, МПа;
Е_i  - модуль упругости материала i-го слоя, МПа.

Данная формула позволяет определять величину общего модуля, исходя из следующих параметров двухслойной конструкции – D, h_i, Е_i, E⁽ⁱ⁺¹⁾_общ. Здесь следует отметить, что формула (1) применима для случая, когда известен модуль подстилающего грунта (земляного полотна), как, например, при новом строительстве. В этом случае не составит труда определить теоретическим путем, используя проектные данные, величины общих модулей, которым должны соответствовать фактически измеренные эквивалентные модули для контролируемых групп слоев при помощи малогабаритной установки динамического нагружения.
 

Объективность

Сложнее дело обстоит при реконструкции. Практика показывает, что при реконструкции дорожной одежды, как правило, не выполняется контроль модуля подстилающего грунта (земляного полотна). Отчасти это может быть связано с тем, что в процессе строительства и эксплуатации первого варианта дорожной одежды подстилающий грунт приобретает еше более плотную структуру с более высокими прочностными и деформационными характеристиками, в отличие от первоначального состояния, характеристики которого описаны при первом инженерно-геологическом обследовании участка, то есть естественного сложения.

По этой причине объективную оценку модуля упругости земляного полотна можно получить только при инструментальном контроле в процессе строительства. Здесь следует отметить, что в новом проекте реконструкции в расчетах обычно принимаются значения модуля подстилающего грунта с предыдущего проекта. Фактически может сложиться ситуация, при которой первый снизу конструктивный слой, например, дополнительный слой основания, может по факту иметь модуль упругости меньший, чем у подстилающего грунта, что противоречит основам методики расчета.

Для решения данной задачи необходимо учесть положения классической механики грунтов в части глубины активной зоны. Как известно, при отсутствии жесткого основания (подстилающего грунта) напряжения распределяются по теоретической кривой Буссинеска. При приближении к поверхности приложения давления жесткого основания распределение напряжений выравнивается. В итоге имеется зона, где деформация грунта по глубине распространяется практически равномерно. Эту зону называют активной, а ее глубину - глубиной активной зоны. В ней реализуется 80-90% всей необратимой деформации грунта.

Учитывая данное положение, а также возможность изменения модуля упругости подстилающего грунта в большую сторону во времени, получается, что первая пара, для которой должен определяться эквивалентный модуль, будет представлена нижними слоями дорожной одежды. С практической точки зрения, на расчеты, выполняемые в процессе проектирования, данный вывод не окажет существенного влияния. Наоборот, получится некоторый запас за счет неучета некоторого уплотнения подстилающего грунта во времени. Но для контроля качества устройства слоев основания дорожной одежды данный вывод важен. При выполнении работ по реконструкции в контроле модуля упругости подстилающего грунта (земляного полотна) нет необходимости в случае, когда толщина первого слоя дорожной одежды, например, дополнительного слоя основания, будет меньше двух диаметров плиты измерителя модуля упругости, то есть при h_ДС < d_шт = 0,30 м.

Таким образом, для определения общего модуля для представленного выше случая необходимо воспользоваться формулой (2), учитывающей толщину грунта с более низкими деформационными характеристиками. При этом в первой паре, для которой определяют общий модуль, нижним является дополнительный слой основания. Податливостью подстилающего грунта в таком случае можно пренебречь, но в пределах границ применимости предлагаемой методики.

 

где Е_ДС - модуль упругости дополнительного слоя основания, МПа; h_i - толщина слоя несущего основания, см; h_ДС - толщина дополнительного слоя основания, см; D - расчетный диаметр отпечатка колеса, см; Е_i - модуль упругости материала i-го слоя, МПа.

Следует отметить, что формулой (2) справедливо пользоваться для первой пары слоев. Дальнейшее определение эквивалентных модулей следует вести по формуле (1).
В случае, когда толщина нижнего конструктивного слоя дорожной одежды больше двух диаметров штампа, то есть h_ДС > d_шт = 0,30 м, то определение всех теоретических значений общих модулей упругости следует вести по формуле (1).

Результативность

Границами применимости предлагаемой методики являются следующие:

• Контролируемые конструктивные слои основания и подстилающий грунт не должны иметь модули упругости ниже 10 МПа.
• Методика применима как для нового строительства, так и для реконструкции. В первом случае определение теоретических величин общего модуля упругости для групп слоев определяют по формуле (1). Во втором случае, когда отсутствует актуальная информация о физико-механических характеристиках подстилающего грунта, расчет для первой пары слоев дорожной одежды ведется по формуле (2), а для остальных групп слоев по формуле (1).

С целью проверки представленных выше теоретических предпосылок предлагаемой методики контроля качества слоев основания дорожной одежды с покрытием из искусственных камней мощения были выполнены натурные испытания, в рамках сотрудничества с НО АПВИ (Ассоциацией производителей вибропресованных изделий). В настоящей статье для примера приведены результаты исследований одного из экспериментальных участков, утвержденных Комитетом по развитию транспортной инфраструктуры Санкт-Петербурга, а именно «Смольная набережная на участке от Водопроводного переулка до Смольного проспекта».

Испытания выполнялись при помощи измерителя модуля упругости ПДУ-МГ4 «Удар». Конструкция одежды представлена на рис. 3.

В табл. 1 представлены результаты испытания слоев основания и подстилающего грунта на объекте реконструкции пешеходных дорожек.

N п/п	Наименование слоя	Eэ-iфакт, МПа	Eэ-iтеор​, МПа
1	Доп. слой основания супесь пылевая	35	38
2	Слой основания: щебень	102	105
3	Слой основания: ЦПС	96	126

Табл. 1. Результаты выполненных измерений
Примечание: E_э-i^факт - фактически измеренные средние значения общих модулей упругости для разных групп слоев; E_э-i^теор - теоретические значения общих модулей упругости для разных групп слоев.

Анализируя полученные данные (табл. 1), можно сделать следующие выводы:

1. Отмечается высокая сходимость практических и теоретических результатов, что подтверждает состоятельность предлагаемой методики.
2. Для слоя ЦПС разница между теоретическими и фактическими значениями составляет около 19%. Очевидно, что в данном случае потребуется дополнительное уплотнение слоя.Следует отметить, что в рамках выполненных исследований на других объектах для такой же конструкции (рис. 3) использование предложенной методики показало схожие результаты.

По результатам выполненных испытаний разница в фактически измеренных и теоретических значениях общих модулей упругости не должна превышать 10%.

В случае, когда при проведении трех промежуточных измерений в одной точке был выявлен большой размах результатов измерений, то необходимо изменить положение исследуемой точки для повторного испытания.

Если при выполнении повторного испытания снова возникает большой размах результатов измерений, требуется выполнение мероприятий, представленных ниже.

В качестве рекомендаций по устранению выявленных несоответствий следует принимать следующее:

• в случае, когда по результатам выполненных измерений не достигнуто теоретических значений по модулю упругости, следует произвести дополнительное уплотнение грунта.
• если конструктивный слой представлен малосвязным грунтом, то перед уплотнением следует увеличить его влажность до оптимальной в соответствии с рекомендациями.
• если конструктивный слой обработан неорганическими вяжущими, то требуется либо увеличение процентного содержания в смеси связующего той же марки, либо изменение марки связующего в большую сторону, с последующим уплотнением.

Контроль модуля упругости должен вестись после устройства каждого конструктивного слоя. Это позволит оперативно определять отклонения от проектных решений и своевременно вносить соответствующие изменения в процесс строительства.

Частота расположения точек исследований вдоль линейного объекта должна регламентироваться в соответствии с техническим заданием, но не реже, чем через 10 м. Поперек линейного объекта - с шагом через 3-5 м. В процессе устройства конструктивных слоев должна обязательно контролироваться их толщина.

Выводы

В условиях современной рыночной экономики вопросы качественного исполнения проектных решений в процессе строительства являются основными, поскольку от этого напрямую зависит безопасная и продолжительная безаварийная эксплуатация сооружения, в том числе дорожных одежд с покрытиями из искусственных камней мощения. Для осуществления последнего необходим непрерывный контроль качества устраиваемых конструктивных слоев и грунтов земляного полотна в процессе строительства. Важно, чтобы методика, по которой осуществляется контроль, позволяла оперативно производить оценку качества и имела непосредственную увязку с проектными расчетными параметрами.

Предлагаемая в настоящей статье методика основана на использовании малогабаритных установок динамического нагружения с целью определения общих модулей упругости для контролируемых групп слоев.

Последнее позволяет путем сопоставления измеренных величин модулей упругости с проектными теоретическими значениями делать выводы о готовности слоев одежды. Выполненные натурные испытания позволяют говорить о состоятельности представленных теоретических предпосылок.

Все публикации
Архив по годам: 2006; 2008; 2013; 2015; 2016; 2018; 2019; 2020; 2021; 2022; 2023; 2024;