CC BY
92
УДК 625.731
ИВАНОВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ, аспирант, [email protected]
САМОЙЛЕНКО АЛЕКСЕЙ БОРИСОВИЧ, аспирант, [email protected]
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия 644080, г. Омск, пр. Мира, 5
О МЕТОДИКЕ ОЦЕНКИ МОРОЗНОГО ПУЧЕНИЯ ГРУНТОВ
На основе анализа конструкций современных установок для испытаний грунтов на морозное пучение изготовлена установка с исполнением обоймы образца из полипропилена и стали. Проведены испытания суглинистого грунта и золошлаковой смеси и оценено влияние теплопроводности материала обоймы на конечную вертикальную деформацию морозного пучения образцов грунта.
Ключевые слова: морозное пучение, грунт, теплопроводность.
IVANOV, EUGENIY VLADIMIROVICH, P.G., [email protected]
SAMOILENKO, ALEKSEY BORISOVICH, P.G., [email protected]
Siberrian State Academy of Automobiles and Roads,
5 Mira Avernue, Omsk, 644080, Russia
ABOUT METHOD OF ESTIMATION OF SOIL FROSTY HEAVING
Using the analysis of modem units for tests of soil frosty heaving the system with sample casing made of polypropylene and steel was produced. Tests of loam soil and fly ash mix were carried out, and the effect of thermal conductivity of casing material on final vertical strain of a soil frosty heaving was determined.
Keywords: soil frosty heaving, thermal conductivity, vertical strain.
При возведении земляного полотна автомобильных дорог зачастую используются пучинистые грунты. В соответствии с решением Технического комитета по мерзлым грунтам Международного общества по механике грунтов и фундаментостроению (ISSMFE) существуют три уровня оценки степени пучинистости грунта [1]:
I уровень - грубая оценка по гранулометрическому составу (позволяющая выделить лишь заведомо непучинистые грунты).
II уровень - оценка средней точности по нескольким показателям: гранулометрическому составу, показателям пластичности, высоте капиллярного поднятия воды и т. п. (грунты классифицируют по степени пучинистости).
III уровень - точная оценка по результатам промораживания образцов в специальных установках или по данным стационарных наблюдений в полевых условиях [2].
© Е.В. Иванов, А.Б. Самойленко, 2010
В настоящее время установки для определения относительной деформации морозного пучения серийно не выпускаются. В связи с чем в инженерной практике степень пучинистости грунта в основном оценивают на I или II уровне, что не всегда обеспечивает необходимый уровень качества проектирования.
Испытание на морозное пучение регламентируют по ГОСТ 28622-90 [3]. Подобие водно-теплового режима грунта в лабораторных условиях и земляного полотна достигают соблюдением следующих условий:
- промерзание образцов грунта допускается только с верхнего торца;
- температурный режим на нижней и верхней поверхностях образца принимают соответствующим требованиям государственных стандартов;
- в процессе промерзания обеспечивают непрерывный подток воды к границе промерзания.
В соответствии с требованиями ГОСТ 28622-90 обойма для испытуемых образцов грунта должна быть изготовлена из материала с низкой теплопроводностью.
В современных установках для определения морозного пучения грунтов [4, 5, 6, 7] обоймы изготовлены из материалов с различной теплопроводностью (сталь, стеклопластик, текстолит). Для изучения влияния теплопроводности материала на величину морозного пучения были выполнены испытания грунтов на пучение в обоймах из стали и полипропилена, с теплопроводностью соответственно 47 Вт/(мК) и 0,15 Вт/(мК).
Обойма выполнена из отдельных колец с внутренним диаметром 100 мм, высотой 20 мм, соединяющихся между собой. Обойма устанавливается на металлический поддон, который соединен термоизолированным шлангом с резервуаром, заполненным водой, расположенным за пределами морозильной камеры (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид (слева) и схема (справа) установки для определения деформации морозного пучения грунтов:
1 - нижняя плита; 2 - поддон для воды; 3 - кольца; 4 - патрубок для подачи воды; 5 - индикаторы часового типа ИЧ-10; 6 - кожух из экструдированного пено-полистирола; 7 - термопреобразователь сопротивления ТСП 9307; 8 - цифровой измеритель температуры ИТПЦ-ТС-0-1
Уровни воды в резервуаре и поддоне устанавливались равными. Конструкция прибора позволяет проводить испытания с заданным давлением на образец.
Образцы (И = 150 мм, й = 100 мм) приготавливали в кольцах методом стандартного уплотнения. Испытания проводили без нагрузки на образцы, при открытой и закрытой схеме увлажнения грунтов. Для исключения смерзания и снижения сил трения грунта со стенками обоймы использовали полиэтиленовую пленку.
В качестве теплоизоляции обоймы применяли кожух из экструдированного пенополистирола с толщиной стенки 80 мм и термическим сопротивлением 2,1 м2-К/Дж.
Деформации морозного пучения измеряли индикаторами часового типа ИЧ-10 с точностью 0,01 мм. Для работы индикаторов при отрицательных температурах была заменена смазка их механизмов. Температура образцов измерялась термопреобразователями сопротивления ТСП 9307, подключаемыми к цифровому измерителю температуры ИТПЦ-ТС-0-1. Термодатчики располагали в верхней, средней и нижней частях прибора (рис. 1). Точность измерения температуры 0,1 °С. Необходимый температурный режим создавался в климатической камере марки Бйш! типа Т25/1.1. При проведении испытаний в камере поддерживалась температура воздуха минус 4 °С. Перед промораживанием образцы выдерживали в камере в течение суток при температуре +1 °С.
Степень пучинистости грунта определяли по относительной деформации морозного пучения 8/И.
где к/ - вертикальная деформация пучения образца грунта в конце испытания, мм; - фактическая толщина промерзшего слоя образца грунта, мм.
Для испытаний использовались грунты природного и техногенного происхождения нарушенной структуры: суглинок легкий пылеватый с числом пластичности 1р = 8 и золошлаковая смесь (ЗШС), по гранулометрическому составу отнесенная к мелкому пылеватому неоднородному песку. Испытание проводили на трех параллельных образцах, уплотненных до максимальной плотности при оптимальной влажности. Результаты лабораторных испытаний грунтов приведены в таблице.
Для обработки полученных экспериментальных значений были применены методы математической статистики. Используя ^-распределение Стью-дента, определяли статистическую значимость величины к/ для обоих видов грунтов [8].
Выдвинем нуль-гипотезу о том, что материал обоймы оказывает значительное влияние на вертикальную деформацию образца грунта при промораживании, т. е. среднее значение величины к/ является незначимым. При испытании шести образцов (п = 6) средние значения и величины среднего квадратичного отклонения величины к/ для ЗШС и суглинка соответственно
Xзшс = 7,84 мм и Xсугл = 11,83 мм, сзшс = 0,24 мм и ссугл = 0,30 мм. Значения
I -распределения для ЗШС и суглинка ^зшс = 78,87 и ^сугл = 95,56. При числе степеней свободы/ = п - 1 = 6 - 1 = 5 величина р = 6,860 даже для уровня значимости 0,001. Так как и в том, и в другом случае и > ^, то среднее значение величины Иу является значимым для данного опыта. Следовательно, можно сделать вывод о том, что материал обоймы оказывает незначительное влияние на величину вертикальной деформации образца грунта.
Результаты лабораторных испытаний грунтов на морозное пучение
Разновидность грунта Материал обоймы Вертикальная деформация пучения Иу на соответствующем образце, мм Относительная деформация пучения £/и, д. ед. Степень пучини-стости грунта по ГОСТ 2862290
1 2 3
Золошлаковая смесь Полипропилен 7,89 8,07 8,15 0,049 Средне- пучинистый
Сталь 7,76 7,52 7,65 0,046
Суглинок Полипропилен 12,16 12,10 12,01 0,081 Сильно -пучинистый
Сталь 11,54 11,70 11,45 0,077
Анализ результатов проведенных испытаний (рис. 2) показал, что расхождения между параллельными испытаниями суглинка и ЗШС при различных материалах обоймы установки незначительны. Использование стальной обоймы вместо полипропиленовой приводит к уменьшению абсолютного значения вертикальной деформации морозного пучения не более чем на 5-6 %.
г
г
Рис. 2. Зависимость вертикальной деформации пучения образца грунта от времени промораживания:
1 - ЗШС в обойме из полипропилена; 2 - ЗШС в обойме из стали; 3 - суглинок в обойме из полипропилена; 4 - суглинок в обойме из стали
Выводы
1. Конструкция установки обеспечивает:
- промерзание образцов с верхнего торца;
- поддержание заданного температурного режима на нижней и верхней поверхностях образцов;
- в процессе промерзания обеспечивается непрерывный подток воды к границе промерзания.
2. Несмотря на то, что теплопроводность стали в 300 раз больше, чем у полипропилена, при использовании стальной обоймы происходит снижение деформации морозного пучения лишь на 5-6 % из-за ускорения бокового промерзания образцов. Таким образом, возможно изготовление и использование установок с материалом обоймы, обладающим большой теплопроводностью.
Библиографический список
1. Невзоров, А.Л. Фундаменты на сезоннопромерзающих грунтах / А.Л. Невзоров. - М. : Изд-во АСВ, 2000. - 151 с.
2. Хархута, Н.Я. Прочность, устойчивость и уплотнение грунтов земляного полотна автомобильных дорог / Н.Я. Хархута, Ю.М. Васильев. - М. : Транспорт, 1975. - 285 с.
3. ГОСТ 28622-90. Грунты. Метод лабораторного определения степени пучинистости. -М. : Изд-во стандартов, 1990. - 8 с.
4. Максимов, Ф.А. Лабораторные исследования морозного пучения грунтов прибором конструкции Южно-Уральского государственного университета / Ф.А. Максимов, Э.Л. Толмачев // Вестник Южно-Уральского государственного университета. - 2009. - № 35 (168). - С. 52-56.
5. Абжалимов, Р.Ш. Отчего вспучивает грунт / Р.Ш. Абджалимов, Н.Н. Головко // Автомобильные дороги. - 2008. - № 11. - С. 102-107.
6. Невзоров, А.Л. Экспериментальное определение морозного пучения грунтов / А.Л. Невзоров // Известия вузов. Лесной журнал. - 1995. - № 6. - С. 61-66.
7. Шорин, В.А. Как определить характеристики морозного пучения / В.А. Шорин, Г.Л. Каган, А.Ю. Вельсовский // Автомобильные дороги. - 2009. - № 11. - С. 71-73.
8. Зазимко, В.Г. Оптимизация свойств строительных материалов / В.Г. Зазимко. - М. : Транспорт, 1981. - 103 с.
