Целесообразность применения технологии стабилизации слабых грунтов цементно-песчаной смесью

Размещено на http://www.allbest.ru/

Юдин Александр Александрович

Целесообразность применения технологии стабилизации слабых грунтов цементно-песчаной смесью

Шайхуллин Ирек Ринатович

Давлетов Динар Ринатович

Клявлина Яна Марсовна



Аннотация

В статье поставлена задача устройства надежных оснований автомобильных дорог на слабых грунтах болотистой местности в северных регионах Российской Федерации. Неразвитая сеть автомобильных дорог северных регионов страны влечет за собой дополнительные затраты на грузоперевозки, производственную деятельность предприятий и негативно сказывается на уровне жизни населения. Традиционные технологии строительства земляного полотна на слабых болотистых грунтах с выторфовыванием или сооружением грунтовой обоймы являются очень затратными по причине использования большого количества инертных материалов. Для решения проблемы развития дорожной сети северной части страны предложена технология стабилизации слабых грунтов цементнопесчаной смесью. В качестве объекта исследования авторами выбран объект «Строительство подъездной дороги IV категории к кусту нефтяных скважин № 679 от Восточной Объездной дороги Ханты-Мансийского автономного округа». Так как на данном объекте естественным грунтом является торф, то в программном комплексе «Indor Pavement 2022» разработана конструкция дорожной одежды со слоем основания, устроенным по технологии стабилизации цементно-песчаной смесью, а также выполнен расчет принятой конструкции по следующим параметрам: упругий прогиб, изгиб, сдвигоустойчивость, сдвигоустойчивость при статической нагрузке. Исходными данными при расчете принимались состав и перспективная интенсивность движения, климатические, геологические и гидрологические условия местности. В результате расчетов, полученных в программном комплексе «Indor Pavement 2022», установлено, что разработанная конструкция дорожной одежды с конструктивным слоем основания в виде грунтобетона с цементно-песчаной смесью обеспечивает требуемые критерии прочности и имеет положительный запас прочности. Таким образом, применение цементно-песчаной смеси при стабилизации основания в строительстве автомобильных дорог на слабых грунтах болотистой местности в северных районах Российской Федерации считается возможным.

Ключевые слова: основание; слабый грунт; стабилизация; цементно-песчаная смесь; грунтобетон; дорожная одежда; упругий прогиб; изгиб; сдвигоустойчивость; сдвигоустойчивость при статической нагрузке; запас прочности



Abstract

Shaikhullin Irek Rinatovich

Davletov Dinar Rinatovich

Klyavlina Yana Marsovna

Yudin Aleksandr Aleksandrovich

The feasibility of using technology for stabilizing soft soils with a cement-sand mixture

The article sets the task of constructing reliable foundations for highways on soft soils in swampy areas in the northern regions of the Russian Federation. The undeveloped network of highways in the northern regions of the country entails additional costs for cargo transportation, production activities of enterprises and negatively affects the standard of living of the population. Traditional technologies for constructing a subgrade on soft marshy soils with peat removal or the construction of a soil cage are very expensive due to the use of a large amount of inert materials, the involvement of road construction equipment, as well as overhead costs. To solve the problem of developing the road network in the northern part of the country, a technology for stabilizing soft soils using a cement-sand mixture has been proposed. The authors selected the object «Construction of a IV category access road to oil well cluster No. 679 from the Eastern Bypass Road of the Khanty-Mansiysk Autonomous Okrug» as the object of study. Since the natural base soil at this site is peat (weak and unstable soil), the Indor Pavement 2022 software package has developed a road pavement design with a base layer constructed using stabilization technology with a cement-sand mixture, and also calculated the adopted design according to the following parameters: elastic deflection, bending, shear resistance, shear resistance under static load. The initial data for the calculation were the composition and future intensity of traffic, climatic, geological and hydrological conditions of the area. As a result of calculations obtained in the Indor Pavement 2022 software package, it was established that the developed road pavement design with a structural base layer in the form of soil concrete with a cement-sand mixture provides the required strength criteria and has a positive safety margin. Thus, the use of a cement-sand mixture when stabilizing the base in the construction of highways on soft soils of swampy areas in the northern regions of the Russian Federation is considered possible.

Keywords: foundation; soft soil; stabilization; cement-sand mixture; soil concrete; road pavement; elastic deflection; bending; shear resistance; shear resistance under static load; safety factor



Введение

Слабая дорожная инфраструктура северных регионов России приводит к ряду специфических проблем в логистике материальных потоков, что сказывается не только на увеличении издержек производства крупнейших компаний страны, но и на уровне жизни населения.

Неразвитость или отсутствие дорожного сообщения с северными регионами также существенно снижает мобильность населения и увеличивает его транспортные расходы, так как единственным вариантом добраться до федеральных центров становится авиаперелет [1].

Традиционные технологии строительства земляного полотна на слабых болотистых грунтах с выторфовыванием или сооружением грунтовой обоймы являются очень затратными по причине использования большого количества инертных материалов.

Спрогнозировать точную работу конструкции земляного полотна со слабыми грунтами в процессе эксплуатации очень сложно, потому что она будет зависеть от постоянно меняющихся факторов, таких как осевые нагрузки, интенсивность движения, климатические характеристики, режим увлажнения, физико-механических свойств грунта.

Избыточное увлажнение, низкая несущая способность, высокая сжимаемость и другие неблагоприятные свойства таких грунтов существенно осложняют и удорожают строительство дорог [2].

Основными проблемами строительства в местности со слабыми грунтами являются:

* Морозное пучение грунта. Болота появляются в местах скопления избыточной влаги, которую не успевает или просто не может профильтровать почва, отводя ее на уровень грунтовых вод. Это места, у которых в основе насыпи лежат такие грунты, как суглинок и глина, то есть связные грунты. Вследствие этого избыточная влага попадает в тело насыпи и после цикла заморозки происходит эффект морозного пучения, то есть расширения влаги внутри тела насыпи при застывании. После разморозки уплотненный грунт начинает терять свою прочность, так как вода возвращает себе исходный объем, и пустоты, оставленные после ее расширения, начинают разрушать насыпь, позволяя грунту осыпаться .

Слабое основание в виде торфа. Слабое основание -- это грунт, у которого низкие показатели физико-механических свойств относительно других грунтов. Им присущи избыточная увлажненность, высокая сжимаемость и низкая несущая способность.

Разрушение краевых зон насыпи размывом. Вследствие этого явления к концу ремонтного срока дорога теряет свои первоначальные геометрические характеристики. Это ведет к серьезному подорожанию ремонтных работ, ввиду больших объемов земляных и укрепительных работ.

Сложный проезд техники во время строительных работ и сложное обустройство временной дороги. Это очень сильно замедляет срок строительства и иногда вынуждает перекрывать участок дороги, что негативно сказывается на объездной дороге, где значительно возрастает интенсивность движения .

Агрессивная среда болотной воды, негативно влияющая на все металлические, бетонные и асфальтобетонные элементы дорожной одежды .

Отрицательное влияние оказывают периодические изменения температуры и вызываемое ими изменение фазового состояния воды [3].



Методы решения проблемы строительства автомобильных дорог на слабых грунтах

В целях решения проблемы строительства автомобильных дорог с прочным основанием в северных регионах страны, где преобладают нестабильные болотистые грунты, возможно применение технологии стабилизации оснований с применением цементно-песчаных смесей.

Стабилизация слабого грунта цементно-песчаной смесью -- новый подход при возведении оснований, позволяющий получить прочную монолитную конструкцию с высоким модулем упругости, гидрофобностью и морозостойкостью в районах с нестабильными и болотистыми грунтами. Укрепление слабых грунтов позволит добиться экономии денежных средств за счет использования существующего слабого грунта в конструкции. Исключаются затраты на покупку и доставку инертных материалов, а также трудозатраты рабочих и накладные расходы [4].

Технология стабилизации цементно-песчаной смесью представляет собой перемешивание ресайклером части слоя естественного основания с предварительно распределенной цементно-песчаной смесью (готовой смесью либо распределенными по отдельности песком и цементом) и добавлением воды с последующим уплотнением катками. Готовый монолитный слой называется грунтобетоном.

Экономическая рациональность устройства монолитных цементно-песчаных оснований дорог заключается в уменьшении толщины либо полном исключении целого конструктивного слоя, состоящего из инертных материалов, за счет увеличения модуля упругости и прочности стабилизированного слоя. Целесообразность данной технологии заключается в том, что получить прочное основание с большой несущей способностью возможно не только в регионах с благоприятными климатическими условиями и хорошим естественным основанием, но и в районах с нестабильными и болотистыми грунтами [5].

Стабилизация основания позволяет решить следующие основные проблемы:

Устройство качественного основания дорожной одежды с высокой несущей способностью и модулем упругости, обладающим низкой водопроницаемостью и не подверженным морозному пучению .

Обеспечение ровности вышележащих слоев.

Сведение к минимуму вероятности появления деформаций на асфальтобетонном покрытии.

Грунтобетон, состоящий на основе цементно-песчаной смеси, имеет следующий характерный состав:

Песок природный средней крупности -- 40 %.

Естественный грунт -- 60 %.

Портландцемент ЦЕМ II/А-Ш класса 42,5Н -- 7 % от массы инертного материала и грунта.

Вода -- 5 % от массы инертного материала и грунта.

Технология стабилизации грунта с цементно-песчаной смесью включает в себя следующие технологические процессы:

Снятие заторфованного слоя. Данный процесс выполняется бульдозером с погрузкой непригодного грунта экскаватором в автосамосвалы.

Прикатка естественного основания тяжелым катком.

Профилирование слоя автогрейдером. Дня получения ровного стабилизированного слоя необходимо выполнить разравнивание поверхности естественного основания.

Транспортировка и распределение слоя песка на подготовленное естественное основание.

Транспортировка и распределение цемента. Перед ресайклером на площадку выходит распределитель цемента, который в соответствии с заданной рецептурой рассыпает по поверхности заданное количество вяжущего.

Перемешивание грунта с цементом при помощи ресайклера. К ресайклеру подсоединяется водовоз, из которого в смесительную камеру ресайклера поступает вода, количество которой автоматически дозируется для получения определенной влажности.

Прикатка грунтоцементной смеси катком с кулачковым бандажом. После прохода ресайклера увлажненный грунт, перемешанный со стабилизатором, уплотняется катками.

Профилирование уплотненного грунта автогрейдером.

Окончательное уплотнение комбинированным катком. После профилирования производится окончательное уплотнение. Для предотвращения прилипания стабилизированного грунта к гладкому вальцу комбинированного катка гладкий валец следует смачивать водой. Каток при уплотнении должен двигаться с рабочей скоростью 3 км/ч по челночной схеме движения от кромки к центру укладываемой полосы, а затем от центра к кромке, с перекрытием смежных уплотняемых полос на 30 см [6].

Технологический процесс от распределения цемента до окончательного уплотнения непрерывен. По окончании работ стабилизированный грунт подвергается лабораторным испытаниям.

Обсуждение и результаты

В результате проделанных операций слой грунта превращается в монолитную плиту с повышенной прочностью, несущей способностью, устойчивостью к статическим и динамическим нагрузкам, а также сопротивлением размыву и просадкам.

Основными техническими показателями конструкции дорожной одежды являются упругий прогиб и сопротивление при изгибе, исходя из которых определяется запас прочности дорожной одежды [7].

Для определения данных параметров выполнен расчет прочности конструкции дорожной одежды в программном комплексе «Indor Pavement 2022».

Исходными данными для расчета дорожной одежды капитального типа являются состав и перспективная интенсивность движения, климатические, геологические и гидрологические условия местности.

Исходные данные:

Название объекта: «Строительство подъездной дороги к кусту нефтяных скважин № 679 от Восточной Объездной дороги Ханты-Мансийского автономного округа».

Район проектирования: Ханты-Мансийский автономный округ.

Выполняемые расчёты: на упругий прогиб, изгиб, сдвигоустойчивость,

сдвигоустойчивость при статической нагрузке.

Дорожно-климатическая зона: IV.

Схема увлажнения: Схема 1.

Расчётная влажность грунта Wр: 0,74.

Коэффициент уплотнения грунта: 0,97.

Проектные данные:

Категория дороги: IV категория.

Тип дорожной одежды: Капитальный.

Заданная надёжность, кН: 0,90.

Срок службы между кап. ремонтами Тсл, лет: 24.

Ширина проезжей части, м: 6,0.

Расчётная нагрузка:

Давление в шине p, МПа: 0,80.

Диаметр отпечатка шины D (дин.), см: 37,00.

Статическая нагрузка на ось Q, кН: 100,00.

Суммарное число приложений нагрузки: 300 000.

Рассматриваемый вариант конструкции дорожной одежды:

Конструктивный слой № 1:

* черный щебень (щебень фракции 10-20 мм, марки по дробимости М1000, по истираемости И3, по морозостойкости F50), марка битума БНД 200/300, h = 10,0 см.

Конструктивный слой № 2:

цементно-песчаная смесь из песка природного средней крупности (40 %), портландцемента ЦЕМ II/А-Ш класса 42,5Н (7 %), естественного грунта (60 %), воды (5 %), h = 30,0 см.

Грунт земляного полотна:

торф слаборазложившийся.

Результаты расчёта на упругий прогиб:

Черный щебень (щебень фракции 10-20 мм, марки по дробимости М1000, по истираемости И3, по морозостойкости F50), марка битума БНД 200/300:

Поверхностный модуль упругости Епов = 270,5 МПа.

Требуемый модуль упругости Етр = 192,4 МПа.

Расчётный коэффициент прочности Красч = 1,580.

Требуемый коэффициент прочности Ктр = 1,170.

Запас прочности (Красч - Ктр) / Ктр-100 % = 35 %.

Заключение: прочность по критерию допустимого упругого прогиба конструкции обеспечена.

Результаты расчёта на сопротивление при изгибе:

цементно-песчаная смесь из песка природного средней крупности (40 %), портландцемента ЦЕМ II/А-Ш класса 42,5Н (7 %), естественного грунта (60 %), воды (5 %), h = 30,0 см.

Нормативное сопротивление весной R0 = 7,20 МПа;

Усталостный показатель степени m = 4,5;

Коэффициент снижения прочности k2 = 0,8.

Средневзвешенный модуль упругости монолитных слоёв Ев = 3 087,50 МПа. автомобильный дорога грунт цементнопесчаный

Поверхностный модуль упругости нижнего слоя в пакете монолитных слоёв Еобщ = 173,24 МПа.

Коэффициент Кв (двубалонное колесо) = 0,85.

Коэффициент усталостного разрушения k1 = 0,50.

Наибольшее растягивающее напряжение or = 0,970 МПа.

Прочность материала при изгибе Rn = 2,847 МПа.

Расчётный коэффициент прочности Красч = 1,326.

Требуемый коэффициент прочности Ктр = 1,000.

Запас прочности (Красч - Ктр) / Ктр-100 % = 24 %.

Заключение: прочность по критерию растяжения при изгибе монолитных слоёв конструкции обеспечена.

Результаты расчёта на сдвигоустойчивость.

Параметры грунта земляного полотна:

грунт -- торф слаборазложившийся;

угол внутреннего трения ф = 6,3°;

сцепление cn = 0,009 МПа;

статический угол внутреннего трения фст = 19,6°;

коэффициент деформации Кд = 1,0.

Средневзвешенный модуль упругости верхних слоёв Ев = 695,49 МПа.

Модуль упругости на поверхности расчётного слоя Ен = 22,88 МПа.

Средневзвешенный удельный вес верхних слоёв у = 0,0023 кг/см3.

Глубина расположения расчётного слоя /оп = 40,0 см.

Удельное активное напряжение сдвига т = 0,01021 МПа.

Расчётное активное напряжение сдвига T = 0,008 МПа.

Предельное активное напряжение сдвига Тпр = 0,00827 МПа.

Расчётный коэффициент прочности Красч = 1,080.

Требуемый коэффициент прочности Ктр = 1,000.

Коэффициент усиления а = 1,000.

Запас прочности (Красч - Ктр) / Ктр-100 % = 7 %.

Заключение: прочность по критерию сдвигоустойчивости грунта земляного полотна обеспечена.

Результаты расчёта на сдвигоустойчивость при статической нагрузке.

Параметры грунта земляного полотна:

грунт -- торф слаборазложившийся;

статическое сцепление cn ст. = 0,012 МПа;

стат. угол внутреннего трения фст = 19,6°;

коэффициент деформации Кд = 1,0.

Средневзвешенный модуль упругости верхних слоёв Ев = 435,49 МПа.

Модуль упругости на поверхности расчётного слоя Ен = 22,88 МПа.

Средневзвешенный удельный вес верхних слоёв у = 0,0023 кг/см3.

Глубина расположения расчётного слоя /оп = 71,0 см.

Удельное активное напряжение сдвига т = 0,00729 МПа.

Расчётное активное напряжение сдвига T = 0,006 МПа.

Предельное активное напряжение сдвига Тпр = 0,01827 МПа.

Расчётный коэффициент прочности Красч = 1,230.

Требуемый коэффициент прочности Ктр = 1,000.

Запас прочности (Красч - Ктр) / Ктр-100 % = 19 %.

Заключение: прочность по критерию сдвигоустойчивости при статической нагрузке грунта земляного полотна обеспечена [8].

По всем результатам расчета конструкция дорожной одежды имеет положительный запас прочности [9].



Выводы

В результате расчетов, полученных в программном комплексе «Indor Pavement 2022», установлено, что разработанная конструкция дорожной одежды с конструктивным слоем основания в виде грунтобетона с цементно-песчаной смесью обеспечивает требуемые критерии прочности и имеет положительный запас прочности [10].

Таблица 1 Технические показатели запроектированной конструкции дорожной одежды

Конструктивный слой, h, см	Общий модуль упругости на поверхности слоев, МПа	Упругий прогиб, МПа	Сдвиг, МПа	Изгиб, МПа	Статическая нагрузка, МПа
Черный щебень	Епов = 270,5	Еупр = 3 000 Ктр = 1,170 Красч = 1,580 Запас = 35 %	Есдв = 1200	Еизг = 3 000	Естат = 380
Грунт, укрепленный цементно-песчаной смесью	Ков = 198,2	Еупр = 2400	Есдв = 600	Еизг = 2 200 Ктр = 1,000 Красч = 1,326 Запас = 24 %	Естат = 320
Торф	К» = 33,0	Еупр = 33	Есдв = 33 Ктр = 1,000 Красч = 1,080 Запас = 7 %	-	Естат = 33 Ктр = 1,000 Красч = 1,230 Запас = 19 %

Составлено авторами

Таким образом, применение цементно-песчаной смеси при стабилизации основания в строительстве автомобильных дорог на слабых грунтах болотистой местности в северных районах Российской Федерации считается возможным.

Литература

1. Смагулова, Л.К. Виды и способы закрепления грунтов / Л.К. Смагулова // Молодой ученый. -- 2017. -- № 18(152). -- 83 с.

2. Васильев, А.П. Строительство и реконструкция автомобильных дорог: справочная энциклопедия дорожника / А.П. Васильев, Б.С. Марышев, В.В. Силкин. -- М.: Информавтодор, 2005. -- 646 с.

3. Юдин А.А., Соколова В.В., Салов А.С., Удалова Е.А., Габитов А.И. Этапы развития строительного производства в особых условиях // История науки и техники. 2022. № 3. С. 17-25.

4. Юдин А.А., Руднев А.Ю., Салов А.С., Удалова Е.А., Габитов А.И. Исторические аспекты развития технологии перемещения зданий и сооружений // История науки и техники. 2023. № 2. С. 21-29.

5. Пудовкин А.Н., Салов А.С., Удалова Е.А., Ахмадуллин Р.Р., Габитов С.А. Автоматизация методики расчета журнала нивелирования замкнутого привязочного хода // Промышленные АСУ и контроллеры. 2023. № 5. С. 40-48.

6. Бедов А.И., Габитов А.И., Домарова Е.В., Салов А.С. Напряженно-деформированное состояние сводов из каменной кладки, опирающихся на стальные балки в перекрытиях // Строительные материалы. 2023. № 5. С. 58-65.

7. Бедов А.И., Габитов А.И., Салов А.С., Гайсин А.М. Применение технологий информационного моделирования при разработке проектно-технологической документации // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2019. № 4(382). С. 148-153.

8. Yudin A.A., Biktasheva A.R., Gabitov A.I., Salov A.S. Peculiarities research of buildings and structures energy efficiency // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. "International Science and Technology Conference "Earth Science", ISTC EarthScience 2022 -- Chapter 4". 2022. Р. 052039.

9. Bedov A.I., Gabitov A.I., Terekhov I.G., Salov A.S. Forecast durability for protective penetrating waterproof coating // Lecture Notes in Civil Engineering. 2022. Т. 197. С.181-185.

10. Bedov, A.I., Sinitsin, D.A., Gabitov, A.I., Salov, A.S. Analysis and Development of Innovative Concrete Compositions in the Republic of Bashkortostan // Materials Science Forumthis link is disabled, 2023, 1082, pp. 240-247.

Размещено на Allbest.ru