На правах рукописи
Медрес Евгений Петрович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СТРОИТЕЛЬСТВА КОМБИНИРОВАННОЙ ДОРОЖНОЙ НАСЫПИ ИЗ EPS – БЛОКОВ И ПЕНОБЕТОНА НА СЛАБЫХ ГРУНТАХ
Специальность05.23.11– Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата технических наук
Санкт-Петербург - 2013
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре автомобильных дорог.
Научный руководитель: ЕВТЮКОВ Сергей Аркадьевич
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский
государственный архитектурно-
строительный университет»
Официальные оппоненты: ДОБРОВ Эдуард Михайлович
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВПО «Московский автомобильно-
дорожный государственный технический
университет»
ПШЕНИЧНИКОВА Елена Сергеевна
кандидат технических наук
ОАО «ЦНИИС»
Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Петербургскийгосударственный университет путей
сообщения»
Защита диссертации состоится 20 июня 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.126.02 ВАК РФ при Московском автомобильно-дорожном государственном техническом университете (МАДИ) по адресу : 125319, г.Москва, Ленинградский пр., д.64, ауд. 42.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАДИ.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.
Копию отзыва просим прислать на e-mail:uchsovet@madi.ru
Автореферат разослан «20» мая 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
кандидат технических наук,
профессор Борисюк Н.В.
Общая характеристика работы
Актуальность темы.В настоящее время дорожное строительство в России приближается к современному мировому уровню в строительной отрасли. Одно из актуальных направлений – это строительство дорожных насыпей на слабых грунтах. Внедрение в практику новых технологий строительства дорог с применением альтернативных материалов позволит усовершенствовать конструктивно-технологические решения дорожных насыпей.
Применение альтернативных материалов, таких как пенополистирол и пенобетон, в комбинированной дорожной насыпи технически и экономически выгодно, они обладают достаточно большой долговечностью, что подтверждается международным опытом.
В российской практике, к сожалению, пока нет опыта внедрения таких современных технологий, так же нет методического и нормативного указания и руководства по расчету и проектированию насыпей на слабом грунте с применением, например, пенополистирольных блоков (EPS – блоков - EkspandirovannyPenopolistirolnyBlocks - экспандированные пенополистирольные блоки). Однако Франция, Германия, Япония, Норвегия (с 1972г.), Великобритания работают в этом направлении; в США существует руководство с общим описанием принципов расчета и проектирования облегченных насыпей из EPS – блоков.
Внедрение в практику технологии строительства комбинированной дорожной насыпи позволит обеспечить устойчивость насыпи, придать ей дополнительную жесткость, исключить вероятность возникновения гидростатического всплытия, а также предотвратить ряд негативных явлений, таких горючесть материалов, вандализм, что позволит усовершенствовать технологические процессы и упростить дальнейшую эксплуатацию. Преимущества от такого внедрения позволят продлить сроки эксплуатации дорожной насыпи.
Целью диссертационной работы является совершенствование конструктивно-технологических решений комбинированной дорожной насыпи на слабых грунтах с применением EPS – блоков и пенобетона.
Поставленная цель достигается посредством решения следующих задач:
– анализ отечественного и зарубежного опыта строительства на слабых грунтах,
– предложение подходов и методов совершенствования строительства облегченных дорожных насыпей,
– выполнение теоретических и практических исследований по применению легких материалов в комбинированной дорожной насыпи на слабых грунтах,
– совершенствованиетехнологии строительства комбинированной дорожной насыпи на слабых грунтах изEPS – блоков и пенобетона,
– разработка конструктивных инженерных элементов комбинированной дорожной насыпи.
Объект исследования.В качестве объекта исследования выбраны существующие технологии строительства дорожных насыпей на слабых грунтах.
Предметом исследования является технология строительства комбинированной дорожной насыпи на слабых грунтахизEPS – блоков и пенобетона.
Научная новизна заключается в следующем:
1. Решение технологических задач по укреплению слабых оснований посредством современной технологии строительства комбинированной дорожной насыпи на слабых грунтах из EPS- блоков и пенобетона.
2. Решение конструктивных задач по применению в конструкции комбинированной дорожной насыпи на слабых грунтах EPS – блоков и пенобетона, а также задач по разработке конструктивных способов крепления инженерных конструкций комбинированной насыпи.
3. Определение рационального объема и пропорций легких материалов в комбинированной насыпи из EPS – блоков и пенобетона.
4. Разработка технологических методов для внутренней и внешней устойчивости комбинированной насыпи на слабых грунтах, а также по гидростатическому всплытию.
5. Разработка алгоритма расчета комбинированной дорожной насыпи на слабых грунтах с применением легких материалов, а также методик расчета устойчивости по напряжениям (стабильности) и осадки насыпи и на сопротивление гидростатическому всплытию.
Практическая значимость результатов заключается во внедрении технологии в современное строительство дорожных насыпей на слабых грунта, что позволит решить многие задачи и исключить проблемы, возникающие как в период строительства, так и в период эксплуатации; в возведении легкой конструкции, что проведет к уменьшению нагрузки на слабое грунтовое основание. Включение в конструкцию пенобетона обеспечивает устойчивость, дополнительную жесткость и безопасность конструкции, исключая риск возникновения гидростатического всплытия. Применение технологических методов для внутренней и внешней устойчивости комбинированной насыпи на слабых грунтах направлено на проведение мероприятий, исключающих или предупреждающих негативные факторы разрушения насыпи.
Достоверность результатов исследований подтверждается с зарубежнымопытом строительства дорожных насыпей на слабых грунтах с применением только EPS - блоков, применением технологии строительства дорожной насыпи из EPS – блоков при реконструкции Приморского шоссе, расчетами и исследованиями.
Основные положения, выносимые на защиту:
- результаты анализа существующих технологий строительства дорожных насыпей на слабых грунтах;
- технология строительства комбинированной дорожной насыпи на слабых грунтах из EPS – блоков и пенобетона;
- рекомендации по применению EPS – блоков и пенобетона в комбинированной дорожной насыпи на слабых грунтах.
- рациональные объемы и пропорции легких материалов в комбинированной насыпи;
- специфика технологических работ по строительству комбинированной дорожной насыпи на слабых грунтах из EPS – блоков и пенобетона;
- конструктивные схемы креплений инженерных конструкций в комбинированной дорожной насыпи на слабых грунтах;
- обоснование устойчивости насыпи против гидростатического всплытия;
- сравнение технологий строительства дорожных насыпей на слабых грунтах: производительность работ, сроки консолидации, экономическая эффективность.
Апробация работы.Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на5-ти международных научно-технических конференциях СПбГАСУ, на IX–XМеждународных научно-практических конференциях «Организация безопасности дорожного движения в крупных городах», на заседаниях научно-технических Советов и профильных комитетах Правительства г.Санкт-Петербурга и Ленинградской области.
Публикации.Основноесодержаниедиссертации отражено в 16 научных работах, в том числе в двух статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, по теме диссертации получено 5 патентов на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 152 страницах, в 11 таблицах, на 60 иллюстрациях, в 13 приложениях.
Содержание работы
Во введении изложена актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и основные задачи исследования, раскрыта общая структура диссертационного исследования.
В первой главе проведен обзор дорожной отрасли, рассмотрены традиционные технологии строительства дорожных насыпей на слабых грунтах в Российской Федерации и результаты их применения:
- «JetGrouting» или закрепление слабых грунтов методом струйной цементации. Применение технологии позволит закрепить слабые, обводненные грунты в основании земляного полотна автомобильных дорог, тем самым обеспечит устойчивость земляного полотна и исключит его деформацию в эксплуатационный период. Снижает вероятность возникновения неравномерных осадок. Происходит ускорение осадки.
- Строительство безосадочной насыпи на слабых грунтах с применением свай. Благодаря использованию различных типов свай обеспечивается устойчивость насыпей на слабых грунтах и исключается деформация дорожного покрытия в эксплуатационный период.
- Строительство насыпи с применением ленточныхгеодрен. Применение технологии обеспечивает устойчивость насыпи в процессе возведения. Ускорение прохождения осадки насыпейс 2-3 лет до 6месяцев.
- Стабилизация слабых оснований геоматрасом. Применение геоматраса обеспечивает устойчивость насыпи. Технология обусловлена простотой технологических операций и применяемого оборудования.Происходит значительное снижение неравномерности осадок и уменьшение примерно на 30% величины конечной осадки.
- Химическое закрепление грунтов. Технологию применяют при строительстве дорог, стабилизации плывунов и упрочнения слабых оснований, обнаруженных при инженерно -геологических изысканиях, а также в период эксплуатации по необходимости.
- Усиление конструкции насыпей на слабых основаниях с применением геосинтетических материалов. Технология позволяет сократить сроки до устройства покрытия, повысить эксплуатационную надежность, сократить потери традиционных материалов, улучшить условия производства работ, сократить объемы привозных грунтов. Осадка будет проходить более равномерно, уменьшаясь по величине.
- Строительство насыпей на слабых грунтах с применением пригруза. Технология применяется при коротких сроках строительства дорожных насыпей. Применяется при необходимости в получении полной расчетной осадки насыпи в период строительства.
- Строительство насыпей из EPS – блоков. Технология заключается в укладке блоков и креплении их коннекторами.
В главе рассмотрены традиционные типы легких материалов, применяемых в насыпях на слабых грунтах. К таким относятся: древесное волокно, измельченные автошины, топочный шлак, керамзит или вспученная сланцевая глина, охлажденный доменный шлак, вспученный доменный шлак, зола – уноса ТЭЦ, экструзионнный полистирол (XPS). Однако такие материалы имеют достаточно большой диапазон объемного веса. Поэтому альтернативой традиционным материалам являются пенополистирол и пенобетон. Благодаря их меньшему весу снижается нагрузка на слабое основание. Тем более, анализ зарубежного опыта строительства на слабых грунтах доказал, что применение легких материалов способствует уменьшению общего времени строительства, созданию относительно меньшей недренированной (первоначальной) и консолидационной осадки, уменьшению эксплуатационных затрат из-за меньшей осадки. В главе представлены основные направления дальнейших исследований. Главное направление - совершенствование технологии строительства комбинированной дорожной насыпиизEPS – блоков и пенобетона на слабых грунтах(рис.1).
Существующие технологии строительства дорожных насыпей, имеют свою эффективность и обоснованность применения на слабых грунтах. Тому доказательство и зарубежный опыт дорожного строительства.
Рис.1 Поперечный профиль комбинированной дорожной насыпи на слабых грунтах из EPS – блоками и пенобетоном
Комбинированная насыпь состоит из EPS – блоков, заключенных в «обойму» из пенобетона с дополнительной прослойкой из пенобетона. Технология строительства комбинированной насыпи и применяемыев ней материалы - пенополистирол и пенобетон - позволяют выявить основные преимущества и особенности данной технологии, такие как: простота монтажа и относительно высокая скорость возведения насыпи, значительное снижение нагрузки на основание слабых грунтов. Все это имеет свою обоснованность и целесообразность. Однако, есть некоторые проблемы, например, возможное гидростатическое всплытие, которые решаются благодаря разработанному конструктивно-технологическому решению. Легкие заполнители – EPS – блоки и пенобетон применяют в качестве закрепителя грунта, как альтернатива замены грунта.Строительство комбинированной насыпи возможно в сравнительно короткие сроки, и к тому же достаточно экономично за счет применения недорогостоящих современных материалов. Преимущества такой единой монолитной конструкции заключены в обеспечении устойчивости, жесткости, исключая риск возникновения гидростатического всплытия,легкости и пожаробезопасности насыпи, и все это позволит продлить сроки эксплуатации.
Вторая главапосвящена принципамстроительства комбинированной дорожной насыпиизEPS – блоков и пенобетона на слабых грунтах.Применение в комбинированной насыпи пенополистирола и пенобетона способствовало альтернативной замене традиционных материалов. Благодаря свойствам рассмотренных материалов комбинированный массив представляет собой целостную, единую прочную конструкцию, не подверженную воздействию как внешних, так и внутренних разрушений (нагрузок).Проведены теоретические и экспериментальные исследования. Их цель заключается в проведении испытаний пенополистирольных блоков для их обоснованного применения в строительстве комбинированной насыпи на слабых грунтах.В исследованиях принимают участие образцы из одной партии блоков одного типа последовательно изготовленных на одной технологической линии в течение не более одних суток. Результаты исследований представлены на рис.2, 3.
|
а) при1% деформации
|
|
б) при 5% деформации
|
|
в) при 10% деформации
|
Рис.2.Полученные результаты испытаний по определению прочности на сжатие при заданных деформациях от плотности:а) 1%,б)5%,в) 10%
|
|
Рис. 3. Полученные результаты испытаний по определению
прочности при изгибе
|
Согласно полученным результатам, для комбинированной дорожной насыпи целесообразно использовать блоки плотностью не менее 29 кг/м3, сопротивлением сжатию при 1 % деформации 75 кПа, при 5% - 153,0 кПа, при 10%-180,0 кПа и пределом прочности при изгибе – 310,5 кПа. Итоговые значения приведены в табл. 1
Таблица 1
Результаты экспериментального исследования
Тип блока по плотности
(марка изготовителя)
|
Плотность опытного образца,
кг/м3
|
Сопротивление сжатию при заданной линейной деформации, кПа
|
Предел прочности при изгибе,
кПа
|
1 %
|
5 %
|
10 %
|
15
|
13,5
|
25
|
49,5
|
63,0
|
154,8
|
19
|
17,1
|
40
|
81,0
|
99,0
|
186,3
|
22
|
19,8
|
50
|
103,5
|
121,5
|
248,4
|
25
|
22,5
|
70
|
135,0
|
153,0
|
279,0
|
29
|
26,1
|
75
|
153,0
|
180,0
|
310,5
|
При строительстве на слабых грунтах необходимо учитывать возможность деформаций:
– деформаций, связанных с превышением касательными напряжениями, возникающими в основании насыпи от внешних нагрузок, прочности (сопротивляемости сдвигу) грунта основания. Данные деформации проявляются в виде выдавливания или выпирания грунта основания в стороны, за пределы подошвы насыпи (нарушение устойчивости основания);
– деформаций, связанных с воздействием на грунт основания нормальных (сжимающих) напряжений, которые возникают в основании от внешней нагрузки и вызывают сжатие (уплотнение) грунта и связанную с этим осадку основания - первичную (фильтрационную) и вторичную (пластическую);
– упругих деформаций, которые возникают в результате воздействия на основание насыпи транспорта, движущегося по поверхности полотна, и вызывают при значительной их величине преждевременный износ верхнего строения дорожных одежд автомобильных дорог
Устойчивость комбинированного массива можно оценить критическими и некритическими условиями, которые проявляются в эксплуатационный период. К критическим условиям относятся большие, неожиданные катастрофические деформации основания; большая общая и большая неравномерная осадка насыпи; осадка, происходящая на относительно коротких участках и в направлении движения автотранспорта, а также стоимость ремонта дорожного участка, значительно превышающая стоимость строительства. К некритическим – медленные деформации ползучести; небольшая и медленная осадка; стоимость ремонта ниже затрат на строительство дорожной конструкции.
В случае необходимости применяются технологические методы для внешней и внутренней устойчивости, направленные на повышение степени устойчивости основания насыпи, уменьшение величины конечной осадки комбинированной конструкции, а также на предотвращение гидростатического всплытия.
Анализ исходных данных позволяет избежать проблем и ограничений, которые могут проявиться на этапе проектирования дорожной насыпи. Например, могут возникнуть ограничения по продолжительности периода строительства объекта, по подъездным дорогам с запрещенным движением обеспечивающего строительство транспорта, по выявлению «жестких», как провода линий электропередач, и «нежестких», как глиссады самолетов на подлете к аэропорту, препятствий, способные повлиять на проектирование и строительство.
Оценка устойчивости в совокупности с исходными данными во многом определяют геометрию насыпи, а также объем EPS – блоков и пенобетона в массиве насыпи. Нагрузка на слабый грунт основания, создаваемая дорожной одеждой и массивом легких материалов, может снижать устойчивость при таких механизмах разрушения, как осадка, несущая способность, устойчивость откосов, сейсмическая устойчивость и, в тоже время, повышать устойчивость при других механизмах внешнего разрушения, например при гидростатическом всплытии, ветровом сдвиге.
Расчет комбинированной дорожной насыпи на слабых грунтах с применением EPS– блоков и пенобетона позволяет сделать выводы о несущей способности, осадке, рассчитать и определить механизмы разрушения насыпи, мероприятия по предотвращению разрушений, технологические корректировки, таким образом, заранее предопределить целесообразность строительства конструкции.
Блок-схема реализации расчета комбинированной насыпи представлена на рис. 4.
При расчете комбинированной дорожной насыпи рекомендуется также учитывать:
- гравитационные нагрузки, создаваемые элементами насыпи. Гравитационные нагрузки включают в себя вес дорожной одежды, включая вес плиты из пеножелезобетона; вес покрытия откосов из пенобетона; вес слоя из пенобетона, укладываемого на существующее грунтовое основание под EPS– блоками.
Рис. 4. Блок – схема реализации расчета комбинированной
дорожной насыпи
- транспортные нагрузки. По сравнению с собственным весом дорожной одежды величина транспортной нагрузки обычно несущественна и, поэтому, в расчетах полной осадки и общей устойчивости ей можно пренебречь.
- нагрузки от воздействия воды. Строительство дорожной комбинированной насыпи на слабых грунтах характеризуется уровнем грунтовых вод, поэтому при расчетах должен учитываться как нормальный, так и экстремальный уровень воды; последний, обычно, определяется по максимальному уровню подъема воды, зарегистрированный на 100-летний период. При расчете важно уделить внимание таким факторам как возможность всплытия при неожиданном повышении нормального уровня воды и несбалансированный сдвиг вследствие несбалансированного давления воды в поперечном к насыпи направлении.
- сейсмические нагрузки. Сейсмическая нагрузка – краткосрочное явление, которое необходимо учитывать в составе геотехнических проблем проектирования дорожных насыпей. Сейсмическая нагрузка оказывает влияние как на внешнюю, так и на внутреннюю устойчивость насыпи.
Учитывая нагрузки при расчетах, важно учесть и проблемы, которые могут возникнуть при строительстве дорожных насыпей на слабых грунтах с применением легких материалов.
|
