Technological regulation and monitoring of roadbed construction

Full Text

ВВЕДЕНИЕ

Геотехническое строительство на слабых грунтах и болотах связано с риском потери стабильности основания и устойчивости объекта при производстве работ, особенно под динамическими нагрузками мощной строительной техники. Причины состоят в неоднородности характеристик, изменении схемы нагрузок от строительных машин для незавершенных сооружений, особенно насыпей. Вероятность неравномерных осадок и, как следствие, предельное состояние грунтовых массивов может возникнуть на переувлажненных участках и косогорах, при сезонном изменении гидрологии и др. Участки трассы с деформациями, как правило, становятся «больными» местами дорог в эксплуатационный период. Для таких объектов в сложных инженерных условиях строительства особенно актуальны требования Технического регламента о безопасности зданий и сооружений [1], в соответствии с которым безопасность объекта должна быть доказана и сопровождаться геотехническим мониторингом на всех стадиях жизненного цикла. В нормах [2, 3] регламентированы параметры, при которых конструкции и основания проектируемого здания или сооружения не достигнут предельного состояния по прочности и устойчивости. Между тем фундаментальные труды по земляному полотну [4, 5] и механике грунтов [6, 7] не рассматривают технологическое изменение физико-механических характеристик грунтов в ходе строительства.

НАЗНАЧЕНИЕ И СОСТАВ КОМПЛЕКСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Выбор технологических параметров возведения насыпей должен включать проверку допустимой скорости нагрузки на слабое основание при производстве земляных работ с учетом порового давления, различия в прочностных характеристиках грунтов в дренированном и неконсолидированном состояниях.

Упрочнение оснований земляного полотна на болотах выполняют с применением трехэтапной технологии: 1) устройство траншеи для удаления торфа, отсыпка или намыв песчаного массива; 2) уплотнение основания; 3) уплотнение верхней части массива и насыпи. На каждом этапе организуют контроль безопасности технологических нагрузок и сроков консолидации грунтов (Рис.1).

 

Рис. 1. Этапы консолидации основания насыпи на участке вырезки и замены слабых грунтов. Ст.1 – отсыпка песчаного массива в траншею с погружением на минеральное дно; Ст.2 – глубинное уплотнение песчаного массива; Ст.3 – виброуплотнение верхней зоны; Sпр – проектная осадка; Тк – срок консолидации основания

 

Первый технологический этап выполняется мехколоннами с участием субподрядных подразделений для буровзрывных и гидромеханизированных работ по общему календарному плану. Взаимосвязанные экскаваторные и буровзрывные работы необходимы для доставки карьерного песка и вытеснения находящихся под давлением болотных масс. На слабых основаниях первый этап включает интенсивную технологию упрочнения слабых оснований, в том числе устройство поперечных дренажных прорезей (к водоотводной канаве), защитного слоя и упрочнение основания через защитный слой. В соответствии с рекомендациями [8] для эффективного уплотнения основания, особенно с коэффициентом 0,95–0,98, работы следует выполнять с нагрузками, близкими к пределу прочности грунтов с учетом прироста коэффициента динамичности и контактных напряжений.

На втором и третьем этапах для уплотнения песчаного массива следует применить максимально допустимые технологические нагрузки машинами ударно-импульсного действия (типа Terra-Mix) и тяжелыми виброкатками. Именно в этом технологическом процессе возникает риск превышения безопасной для основания нагрузки. Этапы не гарантируют стабильность основания в связи с неоднородностью структуры слоев, которая может привести к остаточным деформациям в связи с изменениями характеристик грунтов в ходе работ из-за повышения влажности и динамического воздействия, особенно при нерегулируемых процессах.

Параметры и продолжительность работы машин следует регулировать в зависимости от состояния стабильности слабых грунтов при непрерывной диагностике напряженно-деформированного состояния насыпи и контроле процессов консолидации слабых грунтов в режиме реального времени.

ОСОБЕННОСТИ ГЕОТЕХНИЧЕСКОГО МОНИТОРИНГА

По требованиям безопасности при повышенных нагрузках и предельном состоянии грунтов необходим технологический мониторинг в реальном масштабе времени [4, 9]. Режим интенсивной технологии уплотнения [10, 11] предполагает возможность поэтапного увеличения нагрузок для ускорения консолидации слабого основания.

Опыт работ ООО «Трансстроймеханизация» [12] на строительстве автодороги М-11 в 2015-16гг показал необходимость сопровождения работ геотехническим мониторингом на каждом этапе. Замена слабых грунтов, погружение на дно и уплотнение песчаного массива на участке трассы  М-11 (км 356 – км 357) были выполнены с применением буровзрывного метода и виброкатками тремя изложенными выше технологическими этапами. По техническому заданию подрядчика было проведено геотехническое обследование сложных участков земляного полотна, выполненное ООО НПП «Инжгеофизика».

Для оценки результатов уплотнения песчаного массива были организованы геофизические исследования – сейсмотомография и электротомография поэтапного изменения литологии и деформационных характеристик грунтов. По результатам сейсмотомографии [6, 13] по разрезам массива определены скорости продольных и поперечных волн, значения которых позволили установить распределение коэффициента Пуассона µ:

$\mu =\frac{V_p^2-2V_s^2}{2(V_p^2-V_s^2)}$ (1)

где V_p, V_s – соответственно скорости продольных и поперечных волн при сейсмотомографии.

В разрезах массива (Рис. 2) показаны фрагменты площадей S_гр, соответствующие значениям коэффициента Пуассона (по [14] при отсутствии экспериментальных данных эти значения допускается принимать равными: 0,30–0,35 – для песков и супесей; 0,35–0,37 – для суглинков; 0,38–0,45 при 0,25<IL=<1,0 – для глин, верхняя граница соответствует водонасыщенным грунтам). По всем трем этапам наблюдается последовательное снижение значений коэффициента Пуассона и соответственно увеличение объема песчаной фракции грунтов. Такая динамика показывает уплотнение и осадку песчаного массива.

 

Рис. 2. Разрезы грунтового массива с распределением коэффициента Пуассона по технологическим этапам

 

Статистический анализ позволил установить регрессионные зависимости и устойчивую тенденцию снижения коэффициента Пуассона на всех трех технологических этапах (Рис. 3, Табл.).

 

Рис. 3. Распределение площадей разрезов массива S_гр, м² по этапам уплотнения

 

Таблица. Деформационные характеристики основания земляного полотна по этапам замены слабых грунтов

	1 этап	2 этап	3 этап
Коэффициент Пуассона Кµс (ср. взвешенное значение)	0,409	0,373	0,36
Коэффициент регрессии R	0,047	0,67	0,76
Модуль деформации Eс, МПа	17,79	25,81	32,92
Модуль сдвига Gс, МПа	6,493	9,716	12,53

 

Уплотнение и технологическое регулирование нагрузки последовательно по этапам повышают однородность состава грунтов и стабильность основания под нагрузкой. Для поэтапной оценки изменения литологии массива в каждом разрезе была введена комплексная характеристика – средневзвешеннное значение коэффициента Пуассона:

$K_{\mu c}=\frac{\sum {\mu }_i·S_{грi}}{\sum S_{грi}}$, (2)

где S_грi – часть площади S_гр в разрезе массива с i–м значением коэффициента µ, которая соответствует определенному виду грунтов.

Снижение значений  комплексной характеристики К_µс за три этапа в 1,14 раза подтверждает последовательное замещение песком слабых водонасыщенных грунтов. Более точный результат по этой методике может быть получен, если геофизические исследования позволяют разделить массив на объемные части.

Для оценки деформационных свойств основания определим относительное изменение характеристик всего песчаного массива (в дополнение к точечным лабораторным и полевым исследованиям грунтов) с учетом связи модулей деформации Е и сдвига грунта G:

$G=\frac{E}{2·(\mu +1)}$

Анализ поэтапной динамики средневзвешенных значений нормативного модуля Е_с и расчетного модуля G_с [2] показал последовательное по трем технологическим этапам улучшение деформационных и сдвиговых характеристик массива (Табл.). Перейдем к расчету осадки на этапах комплексной технологии:

$S_{гр}=0,8\sum \frac{Q_{kt}·H_k}{E_{ckt}}$ (3)

где Q_kt - технологическая нагрузка; Н_к, Е_скt – толщина и модуль деформации k-го слоя.

Такой расчет совместно с полевыми испытаниями [5, 15] позволит учитывать слои сложной конфигурации и более точно определить неоднородность основания в расчетах стабильности и деформаций. Вместе с тем на каждом этапе следует контролировать и при необходимости регулировать технологическую и транспортную нагрузку строительных машин. Следует учитывать потенциальные опасности: 1) превышение проектной крутизны откоса или подрезка склона, находящегося в состоянии, близком к предельному; 2) изменение технологической нагрузки и соответственно расчетной схемы устойчивости (перемещение строительных машин, распределение земляных масс и др.); 3) изменение УГВ, влажности и соответственно прочностных характеристик, прогрессирующая ползучесть. Непрерывному изменению технологических нагрузок и воздействий должны соответствовать операционный контроль и прогнозирование хода консолидации грунтов в режиме реального времени [16, 13].

Оценку отклонений фактического хода осадки от проектного тренда и прогноз очередного технологического этапа выполним с применением экспоненциального скользящего среднего [15]. Прогнозное значение осадки S_сt определяется по рекурсивной формуле:

$S_{ct}=K_t·S_{ct-1}+(1-K_t)·S_{гр,t}$, (4)

где S_ct, S_ct-1 – соответственно, значение экспоненциального скользящего среднего осадки участка земляного полотна для текущего и предыдущего периода;

S_{гр, t} – контрольное (измеренное) значение осадки участка земляного полотна в результате уплотнения последнего слоя насыпи или прохода виброкатка по площади участка;

K_t – регулирующий коэффициент влияния нового текущего значения осадки на общую динамику. Его величину целесообразно принять равной коэффициенту уплотнения в t-м цикле. Это позволит учитывать в прогнозе последние контрольные результаты осадки (после каждого контрольного этапа - уплотненного слоя) с большей достоверностью, чем данные предыдущих измерений. Зависимость осадки S_сt во времени имеет доверительный интервал (Рис. 1).

Контрольные и прогнозные значения осадки следует сопоставить с проектными и нормативными требованиями по стабильности основания после каждой рабочей смены и по предельным деформациям насыпи после уплотнения каждого слоя. Динамическая нагрузка от виброкатка при уплотнении основания не должна превышать безопасный предел:  

$min{[Q_{пр},Q_{б},Q_{mc}]}_t\ge Q_{k,t}(A_t,V_t,{\nu }_t)$ (5)

где Q_пр – предел прочности песчаного слоя; Qб – безопасная нагрузка для верхнего слоя по сдвигу; Q_тс – предельно допустимая по риску тиксотропии вибронагрузка; Q_к,t – нагрузка от катка, зависящая от веса, скорости движения V_t, амплитуды А_t, частоты ν_t вибровальца в t-й период интенсивной технологии [9].

Рассмотрим технологический режим виброуплотнения и возможные отклонения осадки S_сt от графика схемы-модели (Рис. 1).

1) Осадка превышает верхнюю границу доверительного интервала зависимости S_сt, следовательно, расчетная вибронагрузка при уплотнении выше безопасного для грунтов значения Q_б. Причина может состоять в недостаточном учете деформационных характеристик грунтов, их влажности и др. Состояние грунтов может перерасти в прогрессирующую ползучесть с риском потери устойчивости насыпи, необходимо регулирование (уменьшение) нагрузки. Для механизации работ целесообразно использовать эксплуатационные возможности современных виброкатков, оборудованных системами оперативного контроля качества уплотнения и бесступенчатого изменения амплитуды и частоты вибрации. Более того, современные модели машин (например, фирм Bomag, Dynapak и др.) позволяют при нарушениях заданных параметров технологического режима немедленно снизить нагрузку, перейти в режим осцилляции или остановить работу.

2) Осадка меньше нижней границы доверительного интервала, что может быть следствием порового давления и увеличить сроки консолидации. Эти изменения должны показать датчики порового давления. После его стабилизации следует рассчитать новое повышенное значение нагрузки Q_k,t.

3) Перманентное колебание, отклонение значений среднего значения осадки S_сt-1 за пределы доверительного интервала может быть следствием неоднородности массива по структуре и характеристикам грунтов (литология, состав фракций, влажность, плотность). Исследования качества виброуплотнения грунтов при неоднородной структуре основания [12] показали повышение риска предельной нагрузки.

Для оценки таких колебаний следует рассчитывать коэффициент вариации Cvt=σt/Sсt по формуле аналогичной (4), его величина должна монотонно уменьшаться.

Величины Q_пр, Q_б и Q_тс определяют в зависимости от прочностных характеристик каждого слоя грунта, которые изменяются в технологическом цикле уплотнения основания. Технологический режим уплотнения верхнего нестабильного слоя основания виброкатком связан с необходимостью двух проверок с учетом коэффициента надежности:     1) нагрузка от катка не должна превышать максимальную допустимую нагрузку для стабильности грунтов в основании; 2) величина ускорения колебаний при работе виброкатка, распространяющаяся в толще грунта, не должна превышать критического ускорения по риску появления тиксотропных изменений.

Максимальная технологическая нагрузка должна быть принята равной допустимому значению безопасной нагрузки, рассчитанной по формуле (5) для всех слоев основания.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Интенсивное уплотнение основания предназначено для улучшения прочностных характеристик и снижения влажности грунтов. Особенность интенсивной технологии состоит в уплотнении грунтов и отжатии воды в режиме максимально допустимых нагрузок. Режим работы катков следует уточнять по результатам испытаний грунтов и расчета коэффициента стабильности каждого слоя основания.
2. Расчет параметров интенсивных технологических режимов должен быть основан на оценке взаимосвязи физико-механических характеристик и технологических нагрузок. Регулирование технологических нагрузок до максимально допустимого для грунтов размера в сочетании с мониторингом в режиме реального времени повышает прочностные характеристики основания насыпей.
3. Технологический эффект состоит в уменьшении сроков консолидации грунтов за счет регулируемых режимов интенсивного воздействия на каждый слой основания земляного полотна максимально допустимой нагрузкой под контролем порового давления. Применение комплексной технологии на участке строительства автодороги М-11 показало возможность ускорения консолидации слабых оснований, сокращения срока строительства и получения экономического эффекта при вводе в эксплуатацию.

Авторы заявляют, что:

1. У них нет конфликта интересов;
2. Настоящая статья не содержит каких-либо исследований с участием людей в качестве объектов исследований.

About the authors

Svyatoslav Y. Lutskiy

Russian university of transport (MIIT)

Author for correspondence.
Email: lsy40@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-0124-6497
SPIN-code: 2475-5149

Dr. of engineering, professor

Russian Federation, 127994, GSP-4, Moscow, Obraztsova St., 9, p. 9

Alexander A. Lychkovskiy

Russian university of transport (MIIT)

Email: Alexander_L12@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2663-0508
SPIN-code: 2671-9305

postgraduate

Russian Federation, 127994, GSP-4, Moscow, Obraztsova St., 9, p. 9

Anatoliy Y. Landsman

Moscow automobile and road construction state technical university

Email: map@sdm.ru
ORCID iD: 0000-0002-9474-7337
SPIN-code: 9901-5851

Dr. of economics, professor, head of the department

Russian Federation, 125319, Moscow, Leningradsky prospect, 64

References

Supplementary files