МИНИСТЕРСТВО АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ РСФСР

ЦЕНТРАЛЬНОЕ БЮРО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДОРОГИ

МЕТОДЫ УСКОРЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ДОРОГ НА БОЛОТАХ

Обзорная информация

Выпуск 5

Москва 1984

СОДЕРЖАНИЕ

В обзоре приведена краткая характеристика методов ускорения стабилизации слабых грунтовых оснований при строительстве автомобильных дорог. Показаны достоинства и недостатки этих методов, рациональная область их применения. Рассмотрен простой и эффективный метод стабилизации дорожных насыпей на слабых грунтах - метод временной пригрузки. Наряду с данными зарубежного и отечественного опыта приведены результаты последних разработок, выполненных в Белдорнии НПО Дорстройтехника и нашедших практическое применение при строительстве дорожных объектов в Белоруссии, Прибалтике и Западной Сибири.

Обзор подготовил канд. техн. наук В.Н. Яромко (Белдорнии НПО Дорстройтехника Миндорстроя БССР).

МИНИСТЕРСТВО АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ РСФСР

ЦЕНТРАЛЬНОЕ БЮРО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

АВТОМОБИЛЬНЫЕ ДОРОГИ

МЕТОДЫ УСКОРЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ПРИ СТРОИТЕЛЬСТВЕ ДОРОГ НА БОЛОТАХ

Обзорная информация

Выпуск 5

Москва 1984

I. ВВЕДЕНИЕ

В связи с освоением новых территорий в Сибири и необходимостью реализации задач, поставленных Продовольственной программой, значительно возросли объемы дорожного строительства на болотах, переувлажненных глинистых и других грунтах, обладающих незначительной несущей способностью, высокой сжимаемостью, и относящихся к категории слабых грунтов.

Строительство автомобильных дорог на слабых грунтах сопряжено со значительными техническими трудностями, заключающимися в обеспечении стабильности земляного полотна. Традиционный метод строительства, предусматривающий замену слабых грунтов устойчивыми минеральными (обычно песчаными), очень дорогой и трудоемкий. Поэтому на практике широко применяются методы строительства, при которых слабые грунты не удаляются, а с помощью различных конструктивных и технологических мероприятий улучшаются и используются в качестве несущего основания насыпи. Среди них наибольшее распространение получили такие методы, как дренирование (осушение) слабых грунтов и временная пригрузка. Эти методы позволяют ускорить процесс уплотнения водонасыщенных грунтов с помощью отжатия и удаления из них поровой воды по специальным дренажным каналам или естественным порам грунта при приложении к ним статической нагрузки от собственной массы насыпи и дополнительного слоя грунта. Менее известен в отечественной дорожной практике метод интенсивного уплотнения слабых грунтов динамической нагрузкой (метод динамической консолидации).

II. О КРИТЕРИИ СТАБИЛЬНОСТИ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА НА СЛАБОМ ОСНОВАНИИ

В качестве критерия стабильности насыпи на слабом основании принимают степень консолидации основания U, которая должна завершиться до устройства покрытия

                                                                            (1)

где S(t) - осадка основания в момент времени t; S(∞) - конечная (стабилизированная) осадка.

В зависимости от проектируемого типа покрытия степень консолидации назначают равной 80-90 % от величины конечной осадки основания [I]. Недостатком указанного критерия является то, что он не учитывает интенсивность осадки на заключительной стадии уплотнения. Интенсивность осадки основания можно охарактеризовать скоростью осадки υ(t)

                                                                           (2)

где ΔS - приращение осадки основания, соответствующее приращению времени Δt или так называемым логарифмическим градиентом скорости осадки m_s

                                                                    (3)

где t_i - время, соответствующее началу i-ой стадии консолидации;

ΔS_i - приращение осадки на участке времени t_i-t;

t - текущее время в пределах i-ой стадии консолидации.

По физической сущности параметр m_s характеризует осадку, которая происходит за один логарифмический цикл, т.е. при t/t_i = 10.

Исследованиями установлено, что при m_s>30 см уплотнение органо-минеральных грунтов происходит в стадии первичной (фильтрационной) консолидации, при 10≤m_s≤30 см в стадии вторичной консолидации, при m_s < 10 см - в стадии ползучести [2].

Из приведенных формул (1, 2, 3) видно, что все показатели, определяющие степень стабилизации земляного полотна, связаны между собой. На рис. 1 приведен график, объединяющий показатели m_s, U и S_pac. Из графика видно, что для достижения стабилизации земляного полотна в стадии ползучести (m_s≤10 см) нужна различная степень консолидации основания в зависимости от его осадки. Так, например, при расчетных осадках S_pacr менее 70 см достаточно U = 0,90, а при S_pacr  = 70-120 см необходима степень консолидации U = 0,95.

Рис 1. Влияние расчетной осадки и требуемой степени консолидации на стабильность земляного полотна на торфяном основании

Опыт строительства и эксплуатации автомобильных дорог на болотах показывает, что для обеспечения нормальной работы дорожной одежды с покрытиями капитального типа степень уплотнения слабого основания перед устройством покрытия должна быть такой, чтобы осадки протекали в стадии ползучести, для покрытий облегченного типа - в стадии вторичной консолидации, для переходных и низших типов покрытий - в стадии первичной консолидации при m_s ≤ 50 см. Исходя из этого, установлены дифференцированные требования к степени консолидации основания в зависимости от величины осадки основания и проектируемого типа покрытия (табл. 1).

Таблица 1

III. МЕТОД ВРЕМЕННОЙ ПРИГРУЗКИ

3.1. Расчетная схема. Эффективность и минимальная величина пригрузки

Наиболее простым и доступным для производства методом ускорения сроков стабилизации земляного полотна на болотах является метод временной пригрузки. Несмотря на значительное количество опубликованных работ, вопрос о назначении толщины временной пригрузки и сроков ее выдерживания остается эмпирическим. Суть этого метода (рис. 2) состоит в приложении нагрузки P_пр, большей на ΔP, чем P_pacr, в результате чего расчетные осадки S_pacr с заданной степенью консолидации U завершаются за время t_пр значительно меньшее, чем время t_u при обычной консолидации (без ускорения осадки). Об эффективности временной пригрузки можно судить по времени ускорения осадок t_уск

t_уск=t_u-t_пр,                                                                                                         (4)

Рис. 2. Расчетная схема к применению метода временной пригрузки

прилагаться постепенно (отдельными ступенями по специальному режиму). Однако принятое допущение не окажем существенного влияния на конечный результат, поскольку определяются не абсолютные значения t, а их разность. С учетом этого

                                                               (5)

где Т_пр - консолидационный параметр, соответствующий относительной осадке λ_пр (для пригрузки);

Т_pac - консолидационный параметр, соответствующий расчетной осадке λ_pacr (для расчетной нагрузки);

С - коэффициент переуплотнения

U - степень консолидации.

Параметры Т_pacr и Т_пр (в сутках) определяют по следующим формулам:

                                                             (6)

где λ_сж.pacr, λ_сж.пр - относительные деформации сжатия слабого основания от нагрузки Р_pacr и P_пр (в МПа), вызывающе соответственно осадки S_сж.pacr и S_сж.пр (в см)

С учетом этого получим

                                           (7)

Из выражения (6) определим отношение

                                                           (8)

Где d=Δp/P_pacr - коэффициент перегрузки основания;

Δp - величина временной пригрузки.

Тогда

                                       (9)

Анализ формулы для определения t_уск показывает, что эффективность временной пригрузки зависит от сжимаемости торфяного основания (λ_сж.pacr и C=Δλ/λ_сж.pacr), величины нагрузки (P_pacr и d = Δp/P_pacr) и требуемой степени консолидации U. При этом увеличение S_сж.pacr и U всегда ведет к увеличению t_уск, т.е. чем больше осадка и выше требования в отношении стабильности земляного полотна, тем эффективнее применение временной пригрузки. Увеличение коэффициентов с и d ведет к росту t_уск, а следовательно, и к повышению эффективности пригрузки. Но коэффициенты С и d зависят от S_сж.pacr, P_pacr, что указывает на сложный характер влияния величины расчетной осадки и расчетной нагрузки на эффективность временной пригрузки.

Из приведенных соотношений следует, что должно существовать минимальное значение коэффициента перегрузки, при котором временная пригрузка будет неэффективна в отношении ускорения осадок. Минимальные значения коэффициента перегрузки можно найти из уравнения (9) при ускорении t_уск = 0

                                                      (10)

Используя для определения параметра С компрессионную зависимость Л.С. Амаряна [4] получим (для торфяных грунтов)

                                 (11)

где l₀ - коэффициент начальной пористости торфа;

P_pacr - расчетная нагрузка, МПа.

Для зависимости (11) построен график (рис. 3), который позволяет определить минимальное значение коэффициента перегрузки в зависимости от требуемой степени консолидации основания и комплексного показателя (1 + l₀)P_pacr

В частности, при изменении коэффициента пористости торфа l₀ в пределах 8-14 (интервал изменения l₀ для болот 1 строительного типа) минимальные значения коэффициента перегрузки d_min можно определить по табл. 2 в зависимости от требуемой степени консолидации U и расчетной нагрузки P_pacr.

Таким образом, приведенные данные показывают, что основными факторами, определяющими выбор величин временной пригрузки, являются сжимаемость слабого грунта, величина уплотняющей нагрузки и требуемая степень консолидации основания. Исходя из этого, при строительстве дорог на болотах с усовершенствованными покрытиями (U = 0,90-0,95; E_о = 8-14; P_pacr = 0,03-0,06 МПа) коэффициент перегрузки принимается не менее 0,15-0,20.

Рис. 3. График для определения минимального коэффициента перегрузки

Таблица 2

Расчетная нагрузка, Ppacr, МПа	Требуемая степень консолидации, U
	0,80	0,90	0,95
	Минимальные значения коэффициента перегрузки, dmin
<0,03	0,20	0,15	0,10
0,03-0,10	0,30	0,20	0,15
0,10-0,15	0,40	0,25	0,20

3.2. Проектирование временной пригрузки

При строительстве автомобильных дорог обычно применяют следующие конструктивно-технологические решения временной пригрузки (рис. 4). При использовании схемы (а) грунт временной пригрузки после завершения консолидации основания используют для отсыпки насыпи на следующих участках дороги; при использовании схемы (б) грунт распределяют на обочины и откосы в пределах данной захватки.

Расчет параметров временной пригрузки рекомендуется выполнять в следующей последовательности:

а) определять величину временной пригрузки Δр по формуле

Δp = dP_pacr,                                                                                                     (12)

где d - коэффициент перегрузки, минимальные значения которого следует принимать по графику (см. рис. 3).

б) определять консолидационный параметр Т_пр для насыпи с пригрузкой по формуле (6). При этом параметры λ, Р и S_сж для насыпи с пригрузкой вычислять по формулам:

λ_сж.пр = λ_сж.pacr(1+bd),

S_сж.пр = S_сж.pacr(1+bd),                                                           (13)

P_пр = Р_pacr(1+d),

где b - безразмерный коэффициент, определяемый по формуле:

                                                           (14)

где P_pacr - расчетная нагрузка на основание, МПа;

l₀ - средневзвешенное значение коэффициента пористости основания.

Рис. 4. Конструктивные решения земляного полотна с временной пригрузкой:

а - в виде дополнительного слоя насыпи; б - в виде суженной насыпи (насыпь-пригрузка); В - ширина проектируемой насыпи по верху; H - глубина болота; S_pacr - расчетная осадка основания; h - высота проектируемой насыпи; Δh - толщина слоя временной пригрузки; h_н - толщина насыпи; h_пр - толщина насыпи с временной пригрузкой; m, m₁ - соответственно показатель крутизны заложения откоса проектируемой и суженной насыпи

в) проверять устойчивость слабого основания при возведении насыпи с временной пригрузкой. Коэффициент безопасности основания K ^нач _без.пр вычисляют по формуле:

                                                                       (15)

где P ^нач _без.пр - безопасная нагрузка на основание, методика определения которой приведена в работе [I].

Если K ^нач _без.пр  ≥ 1, допускается быстрая отсыпка насыпи и временной пригрузки и расчет длительности консолидации производят по формуле

                                                                             (16)

При K^нач_без.пр < 1 определяют коэффициент безопасности основания с учетом его упрочнения при медленной отсыпке насыпи.

                                                       (17)

где U₀ - степень консолидации основания, достигаемая за время отсыпки насыпи и пригрузки и определяемая в зависимости от величины λ_сж.пр

λ_сж.пр

<0,05 .................................0,25

0,05-0,15 ...........................0,33

0,15-0,30 .............................0,5

0,30-0,40.............................0,6

>0,40 .................................0,65

Если K^конч_без.пр ≥ 1 допускается медленная отсыпка насыпи и пригрузки. Расчет длительности консолидации производят по специальным методикам [1, 5].

Коэффициент перегрузки d для пригрузки, выполняемой по схеме (б) (см. рис. 4), определяют методом последовательного приближения в зависимости от требуемых сроков консолидации основания по следующей формуле

                                                                    (18)

где h - высота проектируемой насыпи;

B - ширина проектируемой насыпи по верху;

m - показатель крутизны заложения откоса проектируемой насыпи;

m₁ - показатель крутизны заложения откоса суженной насыпи (насыпи-пригрузки).

При проектировании временной пригрузки варьирование значений крутизны откосов осуществляется в пределах m = 1,5-4,0;m₁ = 1-2.

Коэффициенты перегрузки d, вычисленные по формуле (18), должны быть не менее значений d_mim определяемых по рис. 3. В противном случае временная пригрузка по схеме (б) неэффективна и для получения требуемого коэффициента перегрузки необходимо применять временную пригрузку по схеме (а) (см. рис. 4).

Проектирование временной пригрузки иллюстрируется следующим примером. Пусть требуется запроектировать земляное полотно автомобильной дороги IV категории на переходе через болото глубиной 2,5 м. Продолжительность строительства t_cmp=70 сут. В результате проведенных расчетов минимальной толщины насыпи, величины и продолжительности ее оселки, устойчивости слабого основания получены следующие данные: h = 1,6 м, S_сж = S_pacr = 0,43 и; l₀ = 8; λ_сж = 0,17; P_pacr = 0,036 МПа, P_без. = 0,062 МПа, K^нач_без.пр = 1,72; U = 0,90.

Время, необходимое для достижения заданной степени консолидации основания, определяется по формуле (5)

где

Поскольку продолжительность консолидации t=258 сут превышает продолжительность строительства t_сmp = 70 сут, для ускорения консолидации основания применяется временная пригрузка. Минимальное значение коэффициента перегрузки определяется по рис. 3. Для (1 + l₀)P_pacr = (1+8) 0,036 МПа, и U = 0,90 d_min = 0,18. Исходя из того, что время консолидации необходимо сократить в 228/70 = 3 раза, коэффициент перегрузки ориентировочно принимается равным d = 2d_min = 0,36.

Устойчивость основания при отсыпке насыпи с временной пригрузкой определяется следующим образом

Р_пр = Р_pacr (1 + d) = 0,036 (1 + 0,36) = 0,049 МПа

Коэффициент безопасности больше единицы, следовательно, устойчивость основания обеспечена при отсыпке насыпи и пригрузки в режиме быстрого нагружения.

Консолидационный параметр Т_пр для насыпи с временной пригрузкой определяется из выражения

где ;

S_сж.пр = S_сж.pacr(1+bd)=43(1+0,67·0,36)=53 см;

λ_сж.пр = λ_сж.pacr(1+bd)=0,17(1+0,67·0,36)=0,21

Длительность консолидации насыпи с пригрузкой определяется по формуле (16)

Полученное время консолидации t_пр=47<t_cmp=70 сут, следовательно, коэффициент перегрузки можно уменьшить.

Принимая d=0,3

S_сж.пр=4(1+0,67·0,3)=52 см;

λ_сж.пр=0,17(1+0,67·0,3)=0,20;

Р_пр=0,036(1+0,3)=0,047 МПа;

Продолжительность консолидации насыпи с пригрузкой равна

Применение временной пригрузки (d = 0,3) позволяет уменьшить срок консолидации основания на 258 - 63 = 195 сут. Толщина пригрузочного слоя равна

Δh = dh_н = 0,3 (1,6 + 0,43) = 0,61 м.

Возможность осуществления временной пригрузки по схеме (б) насыпь-пригрузка (см. рис. 4) определяется следующим образом. Для проектируемой насыпи h = 1,6 м, В = 10 м, m = 2 и λ = 0,3. Принимая крутизну откоса насыпи-пригрузки m₁ = 1, коэффициент перегрузки равен

Таким образом, в данном случае возможно осуществление пригрузки по схеме (б), т.е. посредством возведения сначала суженной насыпи с более крутыми откосами m₁ = 1 и высотой, превышающей проектную на величину пригрузки, с последующим уположиванием откосов после завершения консолидации.

3.3. Опыт строительства дорожных насыпей с временной пригрузкой

При строительстве двух крупных транспортных узлов новой автомобильной магистрали в центре г. Вильнюса [6] наибольшие трудности вызвало обеспечение стабильности насыпи, расположенной на мощных отложениях болотных грунтов, образовавшихся в надпойменной террасе р. Вилия.

По данным инженерно-геологических изысканий, проведенных Литовским государственным институтом инженерных изысканий, мощность слабых (торфяных и илистых) грунтов на узле № 1 составляла 2-10 м, на узле № 2-2-16 м. Сверху слабые грунты перекрыты насыпными грунтами (в основном песчаными и супесчаными) толщиной слоя от 2 до 8 м, которые были завезены в отвал.

Узел № 1 запроектирован в виде кольцевого пересечения в двух уровнях, узел № 2-в виде пересечения в одном уровне с направляющими островками. При их сооружении предусматривалось устройство выемки глубиной около 10 м, двух путепроводов, ливневого коллектора под проезжей частью в выемке, укрепление крутых откосов и т.д., что в сложных грунтово-геологических условиях потребовало, прежде всего, обеспечения устойчивости и стабильности грунтового основания. Решение этой задачи осложнилось специфическими особенностями слабых органических грунтов и высоким уровнем грунтовых и подземных напорных вод.

На стадии разработки технического проекта Управлением коммунального хозяйства г. Вильнюса и Институтом проектирования городского строительства Госстроя Литовской СССР было рассмотрено несколько вариантов конструкций земляного полотна с радикальными техническими решениями, предусматривающими отказ от использования слабых грунтов в качестве естественного основания. Эти варианты сводились к двум решениям: устройству эстакады на сваях под все капитальные сооружения; удалению слабых грунтов и замене их привозными песчаными грунтами.

Однако при устройстве выемки при возведении эстакады на сваях неизбежно возникли бы технологические трудности при экскавации болотного грунта с большой глубины ниже уровня грунтовых вод, тем более, что применение взрывных или гидротехнических методов удаления грунта в условиях городской застройки недопустимо. Достаточно отметить, что глубина котлована для достижения нужной отметки составила бы на узле № 1 около 15 м, а на узле № 2 до 20 м.

На основании опыта, накопленного дорожными организациями [7], в Белдорнии был разработан проект сооружения насыпей автомобильных дорог с использованием в качестве основания слабых водонасыщенных грунтов.

С целью изучения прочностных и деформативных свойств слабых грунтов Белдорнии при участии Литовского государственного института инженерных изысканий были проведены дополнительные инженерно-геологические изыскания. В результате проведенных исследований было установлено, что стратиграфическое строение слабой толщи под обоими узлами в основном представлено двумя слоями однотипного генезиса: осоковым торфом со степенью разложения 30-40 % и сапропелями (органо-минеральными илами). Сапропели в верхней части обогащены органикой, в средней части в основном преобладают известковые, которые в придонных слоях переходят в кремнеземистые и минеральные или. Физико-механические свойства слабых грунтов представлены в табл. 3.

Под действием массы грунта, отсыпанного ранее на болотах, слои торфа и сапропелей несколько уплотнились и получили определенную структурную прочность.

Расчет по несущей способности показал, что прочность грунтов естественного основания достаточна для обеспечения устойчивости насыпей проектного очертания, но в зоне выемки потребовалось проведение мероприятий для предотвращения выдавливания слабого слоя в нижней откосной части. Непосредственно под проезжей частью в выемке слабый грунт заменен песчаным, в качестве ограждения рекомендовано устройство шпунтовой стенки (в процессе выполнения работ выявилась возможность произвести замену грунта без шпунта).

Таблица 3

Примечание. В числителе приведены показатели для слабых грунтов основали, имеющих вышележащий насыпной слой, в знаменателе при отсутствии насыпного слоя.

Наибольшие трудности вызвало обеспечение стабильности насыпи. Осадка насыпи в месте наибольшей толщины слабого слоя, по данным лабораторных испытаний грунтов, достигала 1,5 м, причем продолжительность консолидации торфа и ила могла составлять около 10 лет.

Известный метод ускорения консолидации вертикальными дренами не мог дать значительного эффекта вследствие малой водопроницаемости болотной толщи. Наиболее целесообразным в данных условиях оказался метод временной пригрузки, достаточно обоснованный теоретически и проверенный на практике [8]. Принцип действия пригрузки основан на ускорении осадки основания за счет приложения нагрузки, превышающей проектную. После достижения величины осадки, соответствующей проектной нагрузке, дополнительный слой грунта убирают и, поскольку плотность основания соответствует оставшейся нагрузке, процесс консолидации прекращается.

Толщину пригрузочного слоя определяли исходя из условия, что срок строительства объекта был принят равным двум годам. При расчетах использовали методику Белдорнии, изложенную выше.

В зависимости от величины расчетной нагрузки, толщины и сжимаемости слабого слоя расчетная величина осадки составляла от 15 до 150 см. Расчетом установлено, что минимальная длительность действия пригрузки должна составлять от 53 до 229 сут. Толщина слоя пригрузки при этой достигала 1,5-3 м, а отношение величины пригрузки к расчетной нагрузке (коэффициент перегрузки) находилось в пределах 0,4-1.

В период строительства заказчиком осуществлялся постоянный контроль за выполнением проекта производства работ и соблюдением установленных сроков консолидации. В наиболее характерных местах было заложено 55 контрольных точек, в которых с помощью приборов конструкции Белдорнии измеряли толщину насыпи, общие осадки, сдвиги (плановые смещения) и избыточное поровое давление по глубине слабого основания.

Ход отсыпки насыпи и пригрузки, развитие осадок и порового давления во времени для характерных условий узла № 1 приведены на рис. 5. Из графика видно, что основная часть осадки основания протекала в стадии фильтрационной консолидации. Максимальное избыточное поровое давление достигаю 0,17 кг/см² через 5-10 сут после приложения полной нагрузки и затеи по мере выжимания воды постепенно снижалось. После достижения расчетной осадки основания, равной 50 см, слой пригрузки толщиной 2 м был снят в перемещен на узел № 2. После снятия пригрузки произошло восстановление упругой части осадки на 3-10 см. Дальнейшие наблюдения, которые проводятся уже пять с половиной лет после ввода объекта в эксплуатацию, показали, что основание насыпи полностью стабилизировалось и никаких деформаций, вызванных наличием слабых грунтов, не происходит.

Применение комплексного геотехнического решения, позволившего использовать в основании капитального сооружения слабые

Рис. 5. Консолидация слабого основания при применении временной пригрузки:

а - изменение нагрузки во времени; б - изменение осадки во времени; в - изменение порового давления во времени;

-песок; -насыпной грунт; -торф; -сапропель

грунты, дало значительный экономический эффект. В табл. 4 приведены данные технико-экономического сравнения вариантов технологических решений, осуществленных при строительстве узлов №№ 1 и 2.

Таблица 4

Варианты технологических решений	Объем земляных работ, тыс. м3		Стоимость устройства основания, тыс.р.
	узел № 1	узел № 2	узел № 1	узел № 2
Удаление из основания земляного полотна насыпных и слабых грунтов с заменой их привозный песчаный грунтом	436	355	567	654
Устройство железобетонной эстакады	-	50	-	2500
Использование в основания слабых грунтов с временной пригрузкой	182	180	290	200

В целом снижение сметной стоимости строительства от применения рациональных методов использования естественных оснований составило более 700 тыс. р. за счет уменьшения объема земляных работ на 430 тыс. м³.

Перспективно применение временной пригрузки и при строительстве нефтепромысловых дорог на болотистых участках в Западной Сибири. Широко распространенный при строительстве нефтепромысловых дорог двухстадийный метод строительства имеет ряд недостатков, трудоемок и не гарантирует полной стабилизации земляного полотна, особенно, если работы на второй стадии требуют досыпки земляного полотка.

В работе [9] дано теоретическое обоснование одностадийного способа строительства нефтепромысловых дорог на болотах. Суть способа состоит в ускорении осадки торфяных грунтов с помощью временной пригрузки, что позволяет стабилизировать земляное полотно в короткие сроки и устраивать дорожную одежду в одну стадию.

С целью отработки технологии одностадийного способа строительства и проверки эффективности применения временной пригрузки для ускорения консолидации ДСУ-II треста Белнефтедорстрой было осуществлено опытно-экспериментальное строительство земляного полотна на одной из автомобильных дорог, проходящей по болоту I строительного типа с глубиной 2,8-4 м. Торфяная залежь представлена до глубины 0,6-1 м очень влажными грунтами с прочностью, характеризуемой условным сопротивлением сдвигу по крыльчатке (l = 0,005-0,01 МПа). Прочность торфа в нижележащих слоях составляет не менее 0,015 МПа, естественная влажность не превышает 650 %,

К моменту начала опытных работ был отсыпан пионерный слой насыпи толщиной 1 м, замеренная нивелированием осадка основания составила 20-40 см.

Опытный участок состоит из трех секций. На секциях №№ 1 и 2 земляное полотно возводили с применением временной пригрузки по различной технологии, на секции № 3 (контрольной) без временной пригрузки. На каждой секции заложено по одному расчетному поперечнику.

На каждом поперечнике через 20 см по глубине проводилось зондирование торфяной залежи крыльчаткой; для определения естественной влажности, удельного веса, пористости и других показателей через 1 м были взяты пробы торфа.

Для наблюдения за ходом осадки на поперечниках было установлено по три дистанционных осадкомера конструкции Белдорнии (один по оси, а два - на расстоянии 5 м от оси под бровками земляного полотна). При этом нивелированием были определены высота, толщина, осадка основания, а также положение осадкомеров в момент установки.

После проведения подготовительных мероприятий были начаты работы по возведению земляного полотна с пригрузкой. Возводить земляное полотно на болотах в условиях Западной Сибири необходимо с учетом того, что невозможно направить механизмы и транспортные средства в объезд строящегося объекта. Работы производятся способом "от себя" или же в условиях транзитного движения. Поэтому отсыпка насыпи и пригрузки на опытном участке велась послойно и попеременно на левой или правой половине насыпи; для пропуска встречного потока автомобилей-самосвалов был отсыпан слой грунта, толщина, которого не превышала 40-50 см.

На секции № 1 временную пригрузку устраивали методом непрерывного перемещения дополнительного слоя грунта (движущаяся пригрузка). Hacыпь была доведена до проектной высоты, затем был отсыпан дополнительный слой толщиной 55-75 см; длина захватки 60 м. При этом расчетный поперечник с осадкомерами находился посредине захватки. Пригрузка действовала в течение 2 сут, затем грунт пригрузки был перемещен бульдозером на соседнюю захватку, толщина насыпи на которой была ниже проектной, далее на эту захватку автомобилями - самоcвалами был доставлен недостающий грунт для отсыпки насыпи проектной толщины. При такой технологии общий объем грунта не увеличивается. Возрастает только объем грунта, перемещаемого бульдозером, поскольку грунт, используемый для временной пригрузки приходится перемещать дважды: первый раз в пригрузку, второй - в насыпь.

На секции № 2 временная пригрузка устраивалась по типу суженной насыпи (насыпи-пригрузки). Насыпь была возведена на высоту, превышающую проектную на 50-80 см с естественным углом заложения откосов. Длина захватки составила 60 м. Пригрузка действовала в течение 3 сут. Затем грунт пригрузки был снят и перемещен на откосы насыпи.

На секции № 3 насыпь возводилась по обычной технологии без применения временной пригрузки.

Исходные данные для оценки эффективности применения временной пригрузки приведены в табл. 5. Для повышения точности и достоверности расчетов данные по трем осадкомерам для каждого поперечника осреднены, т.е. получены средние арифметические значения каждого параметра.

Таблица 5

Из приведенных данных видно, что наибольшая степень консолидации в период, предшествующий строительству (U₁ = 39-40 %), произошла на поперечниках №№ 2 и 3, в период строительства - на поперечниках с временной пригрузкой (U₂ = 63-87 %), минимальная на участке, где временная пригрузка не применялась (U₂ = 51 %). При этом большая степень консолидации зафиксирована на поперечнике № 2, где коэффициент перегрузки был больше. Следовательно, временная пригрузка влияет на ускорение осадок основания.

После окончания строительства опытного участка проводились регулярные наблюдения в течение 420 сут за состоянием опытного участка с измерением осадок дистанционным осадкомером. Осадки измеряли 1 раз в квартал. Состояние участка на секциях временной пригрузки хорошее. На секции без пригрузки производится досыпка насыпи на 20-25 см.

После снятия пригрузки осадки продолжались, но интенсивность их значительно снизилась. При этом скорость осадки, характеризуемая градиентом осадки m_s [2], который для секций с пригрузкой (m_s = 10,3-13,8 см) почти в 2 раза меньше, чем для секций без пригрузки (m_s = 20,4 см). Величины осадок, которые произошли после окончания строительного периода на секции с пригрузкой, составили 12-24 см, на секции без пригрузки - 27-36 см. Как было показано ранее [9], при m_s<10 см осадки основания протекают в стадии ползучести, при m_s = 10-30 см в стадии вторичной консолидации. Поэтому применение временной пригрузки в течение строительного периода позволило стабилизировать земляное полотно. Насыпь без пригрузки еще не стабилизировалась (m_s = 20,4 см) и устраивать капитальное покрытие на такой насыпи можно только при уменьшении логарифмического градиента осадки m_s до 10-12 см.

Основываясь на приведенных экспериментальных данных, можно определить требуемую величину пригрузки для достижения заданной степени консолидации основания в течение строительного периода. Расчеты показывают, что при осадках менее 100 см для достижения 90 %-ной степени консолидации при длительности выдерживания пригрузки 2-5 сут необходимо, чтобы коэффициенты перегрузки были в пределах 0,3-0,4. Это соответствует толщине пригрузки 0,75-1,7 м для насыпей толщиной 2,5-4 м.

При отработке технологии возведения земляного полотна на болотах с временной пригрузкой в условиях Западной Сибири выявлен ряд особенностей, которые необходимо учитывать при строительстве

Рис. 6. График изменения осадки и толщины насыпи во времени (d= 1,43):

-пригрузка; -насыпь; -торф; -гравий; - гравелистый песок

Таким образом, проведенные экспериментальные работы подтвердили основные положения теоретических предпосылок и показали, что применение временной пригрузки позволяет значительно сократить сроки стабилизации земляного полотна, повысить качество работ и устраивать дорожную одежду одностадийным способом.

В работе [11] описан опыт применения временной пригрузки при строительстве автомобильной магистрали № 9 в ФРГ. Решение применить метод временной пригрузки было принято после успешного строительства опытного участка насыпи высотой 8 м, наблюдения за которым продолжались в течение трех лет.

В основании насыпи автомобильной магистрали № 9 были установлены дистанционные измерители осадки, выполненные по схеме сообщающихся сосудов. На рис. 6 приведен график изменения осадки и толщины насыпи во времени. Проектная толщина насыпи составляет 2,1 м, а толщина пригрузочного слоя - 3 м, коэффициент перегрузки равен 1,43. Продолжительность действия пригрузки составила более 300 сут, т.е. потаи год. Насыпь, с которой она в настоящее время снята, оказалась стабильной и больше не оседает, в то время как осадка ее составила 67 см.

Рис. 7. График изменения осадки и толщины насыпи во времени (d=0,28):

-пригрузка; - насыпь; - гравелистый песок; - органо-минеральный ил

На следующем участке (рис. 7) проектная толщина насыпи в среднем составила 6,5 м, толщина пригрузочного слоя - 1,8 м, т.е. коэффициент перегрузки равен 0,28. Поскольку пригрузка на этом участке действовала лишь в течение 6-8 месяцев, упрочение слабого основания не было закончено. Из рис. 7 также видно, что осадка не стабилизировалась. Это зависит не только от времени действия пригрузки. На первом участке больше время задерживания временной пригрузки, а также значительно (в 4-5 раз) больше коэффициент перегрузки. На другом участке коэффициент перегрузки составлял лишь 0,28 и, как было показано выше, находился в пределах, минимально допустимых по условиям ускорения осадок, и существенного влияния на ускорение осадки не оказал.

IV. МЕТОДЫ ДРЕНИРОВАНИЯ (ОСУШЕНИЯ) СЛАБОЙ ТОЛЩИ

4.1. Метод вертикального дренирования

Одним из распространенных методов, позволяющих ускорить уплотнение слабого грунта от воздействия массы насыпи и сократить сроки строительства дорог, является вертикальное дренирование. В слабом водонасыщенном грунте устраивают близко расположенные вертикальные дрены, через которые под действием нагрузки от возводимой насыпи отводится поровая вода, что способствует ускорению уплотнения и упрочнения слабого основания.

Обычно вертикальные дрены имеют вид скважин, заполненных песчаным грунтом с высокой водопроницаемостью. По конструктивному решению и технологии строительства они сходны с песчаными сваями, однако в отличие от дрен сваи представляют собой не дренирующую, а несущую конструкцию.

Вертикальные дрены сокращают путь фильтрации воды, поэтому, регулируя расстояние между дренами, можно теоретически добиться любой скорости уплотнения слабого основания. По мере уплотнения снижается влажность слабого грунта и повышается его прочность, поэтому вертикальные дрены устраивают не только для ускорения осадки насыпи, но и в тех случаях, когда необходимо снять избыточное поровое давление в напряженном грунтовом основании.

При расчете вертикальных дрен применяют модель фильтрационной консолидации с учетом дополнительных факторов (структурной прочности, переменности коэффициента консолидации и т.д.). Методика расчета дрен изложена в работе [12] получения представления об эффективности дрен можно использовать известный вывод из теории фильтрационной консолидации Терцаги, в соответствии с которой время уплотнения пропорционально квадрату пути фильтрации отжимаемой поровой воды.

Если толщина уплотняемого слоя Н, а расстояние между дренами - α, то отношение продолжительности периода консолидации слабого грунта без дрен t₁ [7] соответствующему периоду при действии дрен t₂ равно

Расстояние между дренами рассчитывают методом подбора [12], исходя из заданного срока достижения требуемой степени консолидации основания U назначаемой в зависимости от типа покрытия и величины осадки по табл. 1. Обычно шаг дрен принимают равным 2-4 м, В плане дрены можно располагать в шахматном порядке, в вершинах сетки квадратов или равносторонних треугольников.

Вертикальные дрена целесообразно устраивать в грунтах с коэффициентом фильтрации от 1 до 1·10^-4 м/сут при мощности слоя слабого грунта более 4 м [12]. При водопроницаемости грунта свыше 1 м/сут фильтрационное уплотнение обычно происходит достаточно быстро без дополнительных мероприятий, В грунтах с водопроницаемостью менее 1·10^-4 м/сут расчетный шаг дрен оказывается, как правило, настолько малым, что их устройство становится нецелесообразным.

Эффективность вертикального дренирования возрастает с увеличением мощности сжимаемого слоя при наличии в толще дренирующих прослоек, а также если горизонтальная проницаемость грунта выше вертикальной. Градиент фильтрации, создаваемый напором, возникающим в поровой воде под воздействием нагрузки от массы насыпи, должен быть выше начального градиента фильтрации по всей дренирующей толще. Для этого, а также для ускорения осадки основания с дренами вертикальное дренирование целесообразно применять в комплексе с временной пригрузкой насыпи дополнительным слоем грунта.

Технологическая схема устройства вертикальных дрен приведена на рис. 8. Сначала отсыпается слой песчаного грунта (см. рис. 8а, б), который служит основанием для устройства скважин под вертикальные песчаные дрены и для отвода поступающей в слой воды (глубину заложения дрен устанавливают в зависимости от свойств грунта).

Рис. 8. Схема устройства вертикальных песчаных дрен:

а - существующая местность; б - отсыпка слоя песчаного грунта; в - устройство вертикальных скважин; г-укладка дренирующего песчаного слоя толщиной 0,25-0,5 м; д - отсыпка земляного полотна до проектной отметки; е - поперечный профиль земляного полотна после осадки основания; 1 - вертикальные песчаные дрены; 2 - дренирующий слой песка; 3 - слой песчаного грунта земляного полотна, 4 - водоотводные канавы

После перемещения агрегата для устройства дрен на новое место бурения скважину заполняют песком одномерного гранулометрического состава, обеспечивающим наибольшее поглощение воды и максимальную фильтрацию. Скважины заполняют песком так, чтобы он возвышался над уровнем скважины на 0,25 м (см. рис. 8в). Затем отсыпают слой из дренирующего песка (см. рис. 8г) толщиной 0,25-0,5 м того же гранулометрического состава, что и в дренах (скважинах). После этого отсыпают слой песчаного грунта толщиной около 0,6 м (см. рис. 8д), из которого возводят земляное полотно. Оно оказывает давление на грунты слабого основания, под действием которого вода выжимается в песчаные дрены, поднимается по ним в дренажный слой и вытекает в боковые водоотводные канавы (см. рис. 8д, е). Слабые грунты под насыпью земляного полотна сжимаются. Земляное полотно досыпают до проектной отметки с учетом осадки, величину которой определяют расчетом, учитывая способ производства работ по возведению земляного полотна.

Для устройства скважин песчаных дрен применяют вращательное бурение, бурение с промывкой, размыв водой, погружение в грунт полой обсадной трубы. Технология устройства скважин вертикальных дрен размывом водой впервые была применена в Нидерландах. Она заключается в том, что в грунт погружают трубчатое устройство из металла с включениями свинца, оснащенное ножом опускного колодца (кессона), и под высоким давлением нагнетают воду. Труба не вращается, а поднимается и затем быстро опускается под действием собственной массы. Размывая грунт, вода образует скважины, которые заполняются песком. Данная технология устройства скважин песчаных дрен требует большого расхода воды. Кроме того, необходимо постоянно удалять вымываемый грунт. Скважины не укрепляют, поскольку содержащаяся в них вода поддерживает стенки, препятствуя внутреннему разрушению.

В СССР применяют технологию устройства вертикальных дрен с помощью вибровдавливающего погружателя свай типа ВВПС 20/11 или ВВПС 32/19, оборудованного полой обсадной трубой с самораскрывающимся при ее подъеме наконечником [12]. Достигшую заданной глубины трубу заполняют песком. Затем ее извлекают при включенном вибраторе. Скорость извлечения не должна превышать 0,1-0,2 м/с, иначе песок не будет свободно истекать из трубы и равномерно заполнять скважину.

При отсутствии вибровдавливающего погружателя песчаные дрены можно устраивать экскаватором, оборудованным направляющей мачтой, обсадной трубой и вибратором.

Технологическая сложность устройства и материалоемкость песчаных дрен ограничивают их применение. Кроме того, этот способ не всегда гарантирует надежность работы конструкции. При устройстве скважины вдавливанием обсадной трубы вокруг скважины образуется уплотненная зона, которая снижает водопроницаемость слабого грунта и влияет на скорость его консолидации. При излечении обсадной трубы возможен прорыв слабого грунта в тело песчаной дрены, в результате чего ухудшаются или даже нарушаются дренирующие свойства песчаного столба. При сдвигах или значительных осадках слабого основания возможен поперечный срез и разрыв дрены. Некоторые недостатки могут быть устранены применением соответствующей технологии устройства песчаных дрен. Например, для того чтобы избежать уплотнения стенок скважины, применяют технологию погружения обсадной трубы с подмывом, а также бурение скважин шнековыми установками.

Устранить указанные недостатки в значительной степени удалось за счет использования дрен заводского изготовления в виде плоских фитилей, получивших название ленточных дрен [13]. Картонные фитильные дрены, впервые были предложены шведским инженером Кьеллманом и применены в 1949 г. при строительстве аэродрома близ г. Стокгольма. На этом объекте было устроено около 900 тыс. м картонных дрен глубиной до 20 м [13]. Дрены имеют поперечное сечение размером 100×3 мм и состоят из трех слоев специального водостойкого строительного картона. Два наружных слоя выполняют функцию фильтра, а средний имеет 10 продольных каналов, предназначенных для отвода воды, поступающей в дрену. При расчетах данная дрена считается эквивалентной столбу песка диаметром 50 мм.

Фитильные дрены устанавливают высокомеханизированным способом. Дрена заключается в оправку прямоугольного сечения, которая вдавливанием погружается в слабое основание. Малое поперечное сечение обсадной трубы не вызывает уплотнения грунта в околодренном пространстве. Другими преимуществами картонных дрен по сравнению с обычными песчаными дренами являются низкая стоимость, сохранение вертикальной непрерывности дрен при деформациях основания, а также возможность ускорения консолидации основания за счет очень близкого расположения дрен.

Известны песчаные фитильные дрены [14], состоящие из фильтрующей оболочки диаметром 65 мм, дополненной песком. Преимущество этих дрен заключается в том, что для их устройства требуются скважины относительно малого диаметра, в результате сохранения песка во втулке поддерживается непрерывность дрены, когда в основании происходят значительные деформации.

Дальнейшим усовершенствованием картонных фитильных дрен являются геодрены, которые представляют собой полиэтиленовые ленты с вдавленными продольными каналами, обернутые бумажным фильтром. Благодаря такой конструкции продольная дренирующая способность геодрены значительно превышает дренирующую способность традиционной песчаной дрены с такими же габаритами (при ширине 100 мм и толщине 4 мм геодрена имеет такую же дренирующую способность, что и песчаная дрена диаметром 150 мм) [15].

Подобные геодрены применяют в СССР [13] Предложено два типа комбинированных дрен с многоканальным полиэтиленовым сердечником, изготовленным методом экструзии: в оболочке из упаковочной бумаги (первый тип) и из фильтровальной синтетической бумаги (второй тип). Недостатками комбинированной дрены являются низкая механическая прочность и слабая биостойкость оберточной бумаги, опасность прорыва фильтра из синтетической бумаги при механических воздействиях или деформациях основания, хранении и перевозке дрены. По данным работы [16], комбинированная дрена отечественного производства аналогична песчаной дрене диаметром 4 см.

С разработкой нетканых текстильных материалов (геотекстилей) появились новые возможности в совершенствовании конструкции ленточных дрен. По сравнению с комбинированными дренами текстильные ленточные дрены имеют преимущества, главными из которых являются высокая технологичность и простота изготовления (дренами служат полосы текстильного материала); возможность варьирования величины фильтрующей способности дрены путем изменения ее ширины; деформативность и гибкость материала дрены, исключающие ее повреждение при любых условиях работы или транспортировании; устойчивость против химического или бактериологического воздействия грунтовой среды [13]. Для погружения текстильных дрен используют те же механизмы и приспособления, что для геодрен и картонных дрен.

Расположение ленточных дрен в плане обычно назначают с шагом 0,5-2 м, поперечное сечение дрены имеет размеры 5×100 мм. Для ускорения консолидации насыпи, как правило, используют временную пригрузку дополнительным слоем грунта.

4.2. Ускорение консолидации грунта с помощью горизонтальных геотекстильных прослоек

Новым способом повышения стабильности земляного полотна является применение прослоек из нетканых синтетических материалов, укладываемых между подошвой насыпи и слабым основанием. Синтетический материал не только упрощает производство работ по возведению земляного полотна, но и обеспечивает лучшее распределение нагрузки на основание, более равномерное уплотнение насыпи и предохранение материала насыпи от загрязнения торфом или другим слабым грунтом. Благодаря этому осадка насыпи уменьшается и происходит за более короткий период времени. В некоторых случаях текстильная прослойка способна воспринять часть сдвигающих напряжений, что способствует повышению устойчивости насыпи.

По данным венгерских специалистов [17], стоимости плавающей насыпи на торфе без прослойки и с текстильной прослойкой в основании приблизительно равны.

В практике нашей страны синтетические текстильные материалы в последнее время получили широкое распространение благодаря выпуску отечественного материала дорнит [17], который преимущественно используется при строительстве нефтепромысловых дорог на болотах Западной Сибири, а также лесовозных дорог.

4.3. Опыт применения вертикальных дрен

В США при строительстве подходов к мосту насыпь земляного полотна автомобильной дороги возводилась на слабом илистом грунте мощностью до 12 м [18]

По проекту предусматривалось удалить слабый грунт и отсыпать основание насыпи на всю ширину земляного полотна привозным грунтом, на что потребовалось бы много времени. Применение новой системы вертикального дренажа позволило значительно сократить сроки сооружения земляного полотна.

Предполагалось на слабых участках для повышения устойчивости насыпи в ее основании уложить слой древесных опилок, а для обеспечения равномерного распределения нагрузки от массы насыпи на слой ила уложить армирующий тканый материал.

Чтобы ускорить стабилизацию осадки насыпи, было запроектировано применение вертикальных фитилей-дрен. Подсчитано, что при расстоянии между вертикальными дренами 1,2 м стабилизация осадки насыпи произойдет за 4 месяца, при расстоянии 1,8 м - за 10 месяцев. При толщине слоя ила 12 м шаг фитилей-дрен был равен 1,2 м, при толщине 9 м - 1,5 м, при толщине 6 м - 1,8 м [18].

Дрены устраивали из картонных или пластиковых пористых трубок, закладываемых в прорезанные специальной машиной щели. При устройстве обычной системы вертикальных дрен над ними укладывают слой песка или отсортированного дренирующего каменного материала толщиной 0,6-0,9 м.

В данном проекте получена значительная экономия денежных средств за счет уменьшения толщины дренирующего слоя из каменного материала и использования тканого материала.

Строительство подхода к мосту осуществлялось в следующей последовательности: в основание дамбы укладывали армирующий тканый материал, после чего из привозного грунта отсыпали дамбу высотой 1,8 м, придавая откосам уклон 1,5:1. Участок между дамбой и существующей дорогой осушали, в зоне насыпи укладывали армирующий тканый материал, поверх которого отсыпали слой древесных опилок толщиной 1,5 м. Затем укладывали первый слой фильтрующего тканого материала, насыпали слой каменного материала толщиной 29 см, на который укладывали второй слой фильтрующего тканого материала. После этого укладывали первый слой насыпи толщиной 151 мм, устраивали вертикальные дрены и возводили насыпь земляного полотна до проектной отметки. После стабилизации осадки насыпи строили дорожную одежду.

Компания "Газ де Франс" (Франция) при строительстве аварийных емкостей для сжиженных газов в Монтуар-де-Бретань (морской порт Нант-Сен-Назер) [15] применила бумажные дрены для дренирования грунтов и ускорения осадок основания под временной пригрузкой с целью обеспечения строительства оградительных стенок шириной и высотой по 6,5 м; средний периметр одной стенки составляет 588 м.

Перед строительством оградительных стенок на площадке шириной 18 м по сетке 2×2 м были установлены бумажные дрены шириной 97 мм, толщиной 4 мм, имеющие 56 дренирующих канавок.

Каждая четвертая дрена заглублялась в скалу (погружалась на глубину 30 м). Остальные дрены погружались только на глубину 15 м, так как основной целью временной пригрузки было уплотнение поверхностного слоя илов, на которые непосредственно воздействовали запроектированные сооружения. В апреле и мае 1977 г. в грунт было погружено 121120 м бумажных дрен.

Временная пригрузка шириной 6 м по гребню и 18 м в основании (общая толщина 6 м) осуществлялась в несколько этапов. В сентябре 1977 г. толщина пригрузки составляла 1 м, в мае 1978 г. - 3м и в мае 1979 г. - 6 м. Осадки основания, измеряемые с начала производства работ, в мае 1979 г. составляли 1,8 м у первого резервуара и 2,6 м у второго резервуара.

Эффективность текстильных дрен проверена трестом Калининградстрой Минстроя СССР на опытной площадке, расположенной в пойме одной из рек [19]. Грунтовая толща на глубину свыше 10 м была сложена аллювиальными илистыми отложениями, водонасыщенными и частично заторфованными. На площадке предстояло построить промышленное предприятие. Проектом было предусмотрено предварительное предпостроечное уплотнение слабого основания с помощью вертикальных песчаных дрен. В порядке эксперимента часть песчаных дрен заменили текстильными. Перед началом строительства на всем участке отсыпали песчаную подушку толщиной 1-1,5 м, сквозь которую погружали дрены. Общая нагрузка на основание от насыпи и пригрузки составила 0,08 МПа.

Осадки измеряли при помощи поверхностных и глубинных марок, избыточные поровые давления определяли поропьезометрами тензометрического типа, установленными на глубине 2,5 и 5 м в центре сетки квадратов. Экспериментальные данные, характеризующие изменение степени консолидации и избыточного порового давления во времени были близки к расчетным данным.

Анализ полученных теоретических и экспериментальных зависимостей избыточного порового давления от времени и глубины показывает, что скорость его рассеивания уменьшается с увеличением глубины. Это может быть объяснено несколькими обстоятельствами. Во-первых, дополнительной консолидацией верхнего горизонта за счет вертикальной фильтрации. Во-вторых, не исключено, что дрена сечением 100×5 мм, обжатая боковым давлением грунта, обладает значительным гидравлическим сопротивлением или имеет недостаточную площадь поперечного сечения. Поэтому дрены из материала дорнит Ф-2 сечением 100×5 мм целесообразно применять для ускорения консолидации водонасыщенных оснований, имеющих небольшие толщины и сложенных грунтами, обладающими низкой водопроницаемостью. При таких условиях гидравлическое сопротивление дрен будет незначительный и их можно рассматривать как идеально водонепроницаемые относительно уплотняемого грунта. При большой толщине уплотняемых грунтов и сравнительно высокой их водопроницаемости гидравлическое сопротивление дрен из дорнита Ф-2 будет значительным, что приведет к снижению их эффективности или вызовет необходимость увеличить площадь сечения дрены.

Текстильные дрены погружали с помощью серийного сваебойного агрегата С-878, оснащенного специальным навесным оборудованием.

Техническая характеристика агрегата С-878

Масса, т                                                     21,5

Глубина погружения, м                           12

Удельное давление на грунт, МПа         0,093

Скорость погружения, м/мин                  5

Сменная производительность, шт.         100

Навесное оборудование отличается простотой и может быть изготовлено в механических мастерских. Оно представляет собой обсадную трубу прямоугольного сечения для выхода дрены. Трубу погружают статическим вдавливанием с помощью трособлочной системы, приводимой в действие гидравлическими домкратами. На направляющую мачту навешивается барабан (бобина) с дреной и затем ее свободный конец заводится в обсадную трубу.

Процесс погружения дрены заключается в следующем. Перед погружением конец дрены, выходящий из нижней части трубы, заправляется в ее торец и в образуемую петлю вставляется металлический стержень-анкер. Затем труба вместе с дреной погружается в грунт. После погружения дрены на проектную глубину труба поднимается вверх. При выходе ее нижнего конца из грунта дрену обрезают на высоте 15-20 см от поверхности площадки.

Технология погружения текстильных дрен не имеет существенных отличий от технологии устройства вертикальных песчаных дрен. Однако применение обсадной трубы малого сечения, примерно в 10 раз меньше, чем при устройстве песчаных дрен, а также отсутствие операций по транспортированию и загрузке песка позволяют существенно упростить технологию и организацию работ, повысить их производительность в 4-4,5 раза и снизить трудоемкость почти в 10 раз.

4.4. Эффективность использования вертикальных дрен

Об эффективности использования вертикальных дрен с целью ускорения консолидации в слабых и особенно торфяных грунтах существуют противоречивые данные. В работе [20] дано сравнение поровых давлений в торфяном основании с дренами и без них.

Геологический разрез по оси трассы представлен следующими отложениями: от 0 до 4 м-суглинки и илистые глины, содержащие линзы торфа; от 4 до 15 м - торфяные грунты; от 15 до 17 м - песок и гравий с примесями мела; глубже 17 м - меловые отложения.

На основании того, что не было отмечено различий между степенью консолидации на обоих участках, использование дрен для ускорения осадок торфяных грунтов неэффективно.

Эффективность использования вертикальных дрен зависит от проницаемости и сжимаемости слабого грунта [14]. Дрены, очевидно, следует устраивать лишь тогда, когда проницаемость слоев грунта мала и необходимо ускорить дренирование для обеспечения требуемой степени консолидации в течение заданного периода времени. Свойства грунтов, содержащих протяженные включения песка, не улучшаются при устройстве песчаных дрен.

При малых нагрузках от массы насыпи проницаемость торфяных грунтов высока и дренирование не требуется. При больших нагрузках эффективность использования дрен может уменьшиться при увеличении эффективных напряжений, высокие градиенты напора вблизи дрен могут привести к формированию зон уплотненного торфа с малой проницаемостью, которые будут препятствовать эффективной работе дрен [14]

Основным фактором, влияющим на эффективность применения вертикальных дрен, является сжимаемость грунта [14]. В связи с тем, что основной функцией дрен является ускорение дренирования воды из сжимаемой грунтовой массы, они должны влиять на скорость первичного уплотнения, но не оказывать влияния на вторичные осадки. Таким образом, необходимость устройства дрен зависит от величины осадки, которая может быть ускорена путем устройства дрен, по сравнению с общей осадкой. Л. Бьерумм [13] считает, что эффективность устройства дрен будет увеличиваться с увеличением так называемого коэффициента эффективности ŋ

                                                                              (20)

где S_переб - первичные (фильтрационные) осадки;

S_общ - общая осадка.

В литературе имеется мало примеров, по которым можно было сопоставить скорости осадки насыпи с дренами и без дрен. В работе [14] приведено весть таких примеров е указанием величины коэффициента ŋ. В случаях, когда дрены были эффективны, ŋ изменяется в пределах 0,6-0,8. Грунтами основания являлись в основном слабые водонасыщенные глины и илы. Для двух насыпей дрены оказались неэффективными (ŋ = 0,25), т.е. фильтрационные осадки составляли лишь 25 % от общей, вследствие чего дрены не могли оказать существенного влияния на ускоренна осадок основания.

Предпосылки Л. Бьеррума [14] подтверждаются исследованиями Белдорнии, целью которых являлось обобщенна и типизация слабых оснований по характеру консолидации [2]. На основе этих исследований по характеру консолидации установлено три типа слабых оснований из грунтов органического происхождения. Так, для оснований I типа обязательно наличие стадии фильтрационной консолидации, при этой доля ее в общей осадке составляет в зависимости от вида кривой консолидации от 14 до 91 %. Основания II и III типа характеризуются тем, что у них отсутствует стадия фильтрационной консолидации; уплотнение в основном происходит в стадии вторичной консолидации и ползучести. При этом в качестве обобщенной характеристики, определяющей конкретный вид кривой консолидации и тип основания по характеру консолидации, принимается относительная деформация λ = S_общ/Н (где Н-мощность слабой толщи). Таким образом, как и в работе [14], определяющим фактором при установлении эффективности вертикальных дрен является сжимаемость грунта

При λ > 0,15 основания относятся к I типу по характеру консолидации, при этой преобладающей в 50-100 % случаев является стадия фильтрационной консолидации. При λ = 0,15-0,30 продолжительность консолидации основания, по данным опытов, изменяется в пределах 1-1510 сут. Поэтому при решении вопроса о применении вертикальных дрен следует исходить из фактической проницаемости органического грунта. При λ > 0,40 продолжительность фильтрационной осадки, составляющей 70-91 % от общей осадки, находится в пределах 1-120 сут и в данном случав использование дрен для ускорения осадки оказывается неэффективным.

При оценке эффективности применения дрон необходимо учитывать как тип основания по характеру консолидации (что достаточно точно определяется по величине относительной деформации λ), так и водопроницаемость слабого грунта. На основании исследований установлено, что в грунтах органического происхождения наиболее целесообразно применять вертикальные дрены в основаниях 1 типа по характеру консолидации, относительная деформация которых при расчетной нагрузке находится в пределах 0,15-0,40,

В табл. 6 приведены технико-экономические показатели устройства дрен разных типов длиной 12 м на участке дороги протяженностью 1 км [13].

Таблица 6

Тип дрены	Расстояние между дренами, м	Количество дрен на 1 км дороги, тыс. шт.	Стоимость одной дрены, р.	Общая стоимость дрен, тыс. р.	Экономический эффект от использования ленточных дрен, тыс. р.
Песчаная дрена диаметром 400м	2,0	6	34-48	206,9	-
Комбинированная дрена с оболочкой из бумаги	1.5	10,7	5-27	56,2	150,7
Комбинированная дрена с оболочкой из синтетической бумаги	1,5	10,7	3-74	93,1	113,8
Дрена из дорнита	1,5	10,7	4-81	51,3	155,6

Наибольший эффект достигается при устройстве дрен из дорнита. Трудоемкость устройства песчаных дрен составляет 1500 чел. - дней, из дорнита - 320 чел. - дней на 1 км.

V. МЕТОД ДИНАМИЧЕСКОЙ КОНСОЛИДАЦИИ

Метод динамической консолидации пока не нашел применения для стабилизация насыпей автомобильных дорог и других транспортных объектов в отечественной практике. Однако большие возможности этого метода, сравнительная его простота я невысокая стоимость строительных работ привели к широкому применению этого метода за рубежом. Метод разработан и запатентован в семидесятые годы фирмой "Текник Луи Менар" (Франция).

5.1. Теоретические предпосылки метода

Динамическая консолидация заключается в циклической приложении к поверхности грунта больших свободно падающих нагрузок (максимальная масса достигает 40 т, высота падения до 40 м). Ударные волны и высокие напряжения в грунта обусловливают компрессию пор, приводят к разжижению грунта и образованию в нем трещин в результате перенапряженного состояния.

Уплотнение грунта проводят за несколько проходов с перерывами на диссипацию поровых давлений. Для определения величины нагрузок, высоты падения и количества проходов уплотнителей перед началом работ выполняют полевые и лабораторные исследования. В ходе динамической консолидации проводят контрольные наблюдения с целью определения состояния грунта. Установлено, что данный процесс способствует значительному уменьшению сжимаемости грунта, увеличению его прочности и устранению последствий, возникающих в результате вторичной консолидации. Глубина уплотнения основания достигает 15-20 м.

Выбор массы трамбовки µ и высоты падения h зависит прежде всего от толщины Н уплотняемого слоя. Энергия удара µh. является основным параметром, значение которого на практике варьирует в пределах 150-500 тм (в некоторых случаях может достигать 1000-2000 тм).

В первом приближении этот параметр выражается следующей зависимостью

µh > H²                                                                                                             (21)

Обычно для консолидации сжимаемого слоя толщиной до 10 м используют трамбовку массой 8 т, сбрасываемую с высоты 13 м; для консолидации слоя толщиной 20 м массу трамбовки увеличивают до 16 т, а высоту падения - до 25 м.

Метод динамической консолидации применяют как для уплотнения рыхлых минеральных грунтов, так и слабых водонасыщенных грунтов. В последнем случае на слабый грунт должна быть сначала отсыпана насыпь достаточной толщины, назначение которой состоит в создании рабочей платформы, более полной передаче импульса падающего груза слабому грунту и обеспечении пригрузки уплотняемой толщи.

Перед началом работ по динамическому уплотнению грунта проводят обследование участка. Предварительно в лаборатории с помощью динамического одометра определяют необходимую для "разжижения" грунта энергию, продолжительность паузы к вероятное количество уплотнительных фаз.

Учитывая результат каждого уплотнения, снова устанавливают высоту падения, массу падающего груза и силу удара. Сразу же после каждого уплотнения измеряют глубину погружения трамбовки в грунт, а также перемещения прилегающих слоев грунта, результаты заносят в график. Давление воды в порах грунта постоянно контролируют а помощью пьезометра. С использованием приборов для определения давления и сопротивления сдвигу грунта можно следить за постепенным улучшением несущей способности грунта во время уплотнения и после него.

Сравнивая результаты, устанавливают в грунте зоны, для которых требуется большая ударная нагрузка или дополнительное уплотнение. Чтобы получить желаемый результат, необходимо изменить режим работы. С помощью различных методов обработки можно наряду с улучшением свойств грунта, повышать его однородность.

5.2. Опыт применения метода динамической консолидации

Примером использования динамического уплотнения грунта является автодорожный узел Эбен в Австрии [21]. С помощью этого метода была обработана площадь грунта в 60 тыс. м². Неоднородный по составу грунт состоял на глубину до 14 м из торфа, глинистого тонкозернистого песка и обычного тонкозернистого песка. Кроме того, в грунте содержалось немного гравия и песка, которые могли оседать. Сверху на грунт планировалось засыпать слой гравия толщиной 1,5 м. Энергия используемой техники фирмы Менард (Франция) составляла 100-450 тм, а уплотнение можно было осуществлять на глубину до 14 м.

В результате уплотнения осадка грунта составляла 1,5-3,6 м. Общая продолжительность работ с использованием экскаваторов грузоподъемностью 120 тс в количестве 1-3 шт. заняла около года.

Весной 1976 г. впервые в Швейцарии для повышения несущей способности грунта метод динамической консолидации был применен на участке автомобильной магистрали протяженностью 3 км [22].

До начала производства работ были разработаны технические условия, регламентирующие правила и последовательность выполнения различных операций. Применять указанный способ рекомендуется на торфяных грунтах, где осадка за 5 лет может достигать 2-4 %.

На работах по динамическому уплотнению можно использовать модифицированные экскаваторы (для подъема груза до 20 т) или специальные краны. В описываемом примере использован кран массой 250 т для подъема груза 40 т на высоту до 40 м. Для движения крана отсыпали насыпь из дренирующего материала (гравийно-песчаной смеси). Насыпь заглублена в грунт на 5,5-6 м, а возвышается над поверхностью грунта на 0,5-1,5 м. На рис. 9 показана осадка основания во времени при динамической консолидации в месте, где толщина слоя торфа и меловых отложений достигла 10 м.

Рис. 9. Изменение осадки основания во времени при динамической консолидации:

1 - область статической осадки; 2 - область приращения осадки, обусловленной динамической консолидацией; 3 - область, где скорость осадки меньше 2 см/мес

В зонах, где под слоем торфа залегали слабые песчано-суглинистые грунты, были отмечены осадки, превышающие допустимые по техническим условиям [22].

Стоимость 1 пог. км автомобильной магистрали, построенной с использованием метода динамической консолидации, примерно составляет 9 млн. швейцарских франков, стоимость же работ с устройством дрен на 75 % больше [22].

Подобные методы стабилизации оснований применяются также в Польше [23]. Из-за ограниченного количества тяжелых кранов используются более легкие трамбовки (массой 4-6 т), сбрасываемые с высоты 5-10 м. Несмотря на то, что энергия ударов меньше, чем рекомендуемая при динамической консолидации, были получены положительные результаты.

В 1976 г. в Польше по этому методу уплотняли песчаную подушку в основании высокого устоя железнодорожного моста, а в 1978г. песчаную подушку для фундаментов виадука. Контрольное зондирование показало, что на глубине около 4 м грунт очень уплотненный, на глубине 6-7 м плотный или средней плотности.

В 1979-1980 гг. осуществляли уплотнение основания земляного полотна при строительстве узла Торнуской трассы и Вислострады в г. Варшаве. Опоры виадуков и эстакад сложного узла были построены на сваях. Часть объектов расположена на площади неконтролируемых насыпей (свалки земли, строительного и другого мусора) толщиной до 5-8 м. Во избежание появления больших и неравномерных осадок подмостей после укладки бетона, очень опасных для конструкции, сначала было запроектировано основание на деревянных сваях. Это решение имело существенные недостатки: высокая стоимость, дефицит строительных материалов для свай, а также сложность забивки без повреждения свай в грунт, содержащий строительный мусор, металлолом и куски железобетона.

По инициативе исполнителя работ Варшавского предприятия строительства электростанций и промышленных объектов "Бетон-сталь” деревянные сваи заменили фундаментами, опирающимися на уплотненное основание. Технологию уплотнения и технические требования разработал научно-исследовательский институт дорог и мостов.

При производстве работ использовали трамбовку диаметром 1,2 м, массой 6,2 т, подвешенную на высоте 10 м к стреле экскаватора с крановым оборудованием. Предусматривалось, что энергия ударов должна обеспечить уплотнение основания на глубину до 7 м [22].

Уплотнению подвергалась вся поверхность площади между опорами. Размещение точек трамбования было увязано с формой и размерами фундаментов подмостей. В качестве основной была принята треугольная сетка со стороной 2,2 м. Необходимое число ударов в точке определено на основании пробных испытаний. Размеры воронки, пробиваемой при последующих ударах, показали, что минимальное количество ударов составляет 6-8, с запасом их количество было принято равным 10.

После первой фазы трамбования территорию нивелировали. Спустя несколько дней осуществили вторую фазу трамбования ударами трамбовки диаметром 1,5 м, массой 4,2 т, сбрасываемой с высоты 5 м. В этой фазе всю поверхность территории трамбовали таким образом, чтобы следы ударов накладывались друг на друга. Цель этой операции заключалась в уплотнении поверхностного слоя грунта между точками ударов, который подвергается ослаблению вследствие колебаний, вызванных ударами большой мощности.

Ввиду неоднородности грунтовых условий осложняется контроль результатов. На площадке, где складировали строительный мусор, невозможно было произвести бурение или зондирование. Поэтому испытания проводили пробным нагружением фундамента размером 3×3 м. На фундамент воздействовали нагрузкой 126 т, что соответствовало давлению 1,4 кгс/см². Осадка фундамента составила 22 мм, модуль деформации уплотненного основания был равен 150 кгс/см². При этом значении модуля расчетная осадка подмостей была в допустимых пределах. Несмотря на неоднородность основания, благодаря одинаковой энергии ударов, приходящейся на единицу поверхности, получено однородное по сжимаемости основание. Это подтвердили результаты измерений осадок 24 опор подмостей первого забетонированного участка эстакады. Средние опоры, нагруженные нагрузкой 90 т, дали осадку от 2 до 10 мм, неравномерность осадок в этом случае была невелика. Это свидетельствует о том, что трамбование обеспечило однородную осадку основания и поставленная цель была достигнута.

На участке одной из эстакад в основании были мягкие связные грунты. Трамбовка выбивала в них воронки значительно глубже, чем на других участках (свыше 1,5 м). В этой зоне ограничились количеством ударов в первой фазе до пяти. Образовавшиеся воронки заполнялись песчаным грунтом. Затем осуществлялась вторая фаза трамбовки в точках, расположенных между первичными точками.

Только после этих двух фаз и выравнивания территории производилось окончательное уплотнение всей поверхности трамбовкой массой 4 т.

Работы осуществлялись под тщательным авторским надзором. Опыт, накопленный в процессе строительства трех мостовых объектов, позволил рекомендовать при уплотнении основания фундаментов и насыпей трамбование с использованием имеющегося в стране оборудования. Этот метод значительно дешевле по сравнению с устройством глубоких свайных фундаментов.

При сооружении подходной насыпи высотой 15 м к путепроводу на автомобильной дороге Шарлевиль-Сезан (Бельгия) при очень низкой механической прочности грунта было осуществлено динамическое уплотнение с интенсивностью 300 тм/м² за два прохода с интервалом две недели [24]. После уплотнения осадка насыпи достигла 80 см. Проведенные испытания показали, что несущая способность насыпи сразу после второго трамбования составила 3,5 кгс/см².

При сооружении участка автомобильной дороги Рукур-Горэн (Бельгия) необходимо было возвести насыпь высотой 2-4 м, уложенную на слой сжимаемого грунта толщиной 3-8 и; объем грунта, отсыпаемого в насыпь, составил 60 тыс. м³ при влажности до 30 %. Дня динамического уплотнения грунта использовали груз массой 10 т с площадью основания 4 м², падающий с высоты 18 м. При средней интенсивности уплотнения 550 тм/м² (за несколько проходов) средняя осадка насыпи составила 60 см на площади 35 тыс.м² [24].

При сооружении причала длиной 750 м в порту Зелзате требовалось отсыпать за шпунтовую стенку и уплотнить свыше 100 тыс. м³ рыхлых илистых песков. По мере регулирования пульпы за шпунтовое ограждение грунт уплотняли участками шириной 10-15 м трамбовкой массой 15 т, падающей с высоты 25 и при средней интенсивности 400 тм/м² за два прохода [24].

При Сооружении подходной насыпи к виадуку на автомобильной дороге Брюгге-Турне (Бельгия) необходимо было отсыпать и уплотнить слой грунта толщиной 7-9 м на слое сжимаемого ила толщиной 8-10 м. Для этого произвели динамическое уплотнение с интенсивностью 250 тм/м², что обеспечило осадку основания до 60 см на площади 10 тыс. м² [24].

В результате проведенных работ установлено, что осадка насыпи и ее плотность возрастают при увеличении числа ударов на единицу поверхности. В средних грунтах один удар трамбовки с площадью основания 1 м² дает осадку 40 см, два-65 см, три-80 см и четыре-90 см [24].

Эффективность уплотнения зависит от природы грунта, его влажности и интенсивности уплотнения. Для повышения качества уплотнения на каждом участке необходимо проводить лабораторный контроль при помощи датчиков напряжений, устанавливаемых на разной глубине в теле насыпи.

Опыт применения данной технологии подтверждает экономичность динамического уплотнения слабых грунтов в стесненных условиях.

В процессе уплотнения грунтов трамбованием во Франции [15] при сооружении причала в одном из портов в 1975 и 1976 гг. за очень короткое время была ограничена неравномерность осадок (менее 1,5 см между двумя точками на расстоянии 10 м) и уменьшены абсолютные осадки (менее 3 см под нагрузкой 5 тс/м²), кроме того, построен склад на фундаменте с нагрузкой 1,5 кгс/см², что позволило избежать устройства глубокого фундамента и ограничить неравномерность осадок до 1,5 %.

Грузовые площадки причала сначала были намыты с использованием песчаных материалов с примесью ракушечника, добытых в русле р. Жиронда. Намытые грунты толщиной 8-15 м имели предельное давление порядка 10 кгс/см² и располагались на слое илов толщиной 1-2 м, под которыми лежали пески с хорошими механическими характеристиками.

Сжатые сроки ввода в эксплуатацию первой очереди строительства причала вызвали необходимость отказаться от классического метода пригрузки грунтов на месте, на что потребовались бы значительные затраты времени (более одного года). Грузовые площадки должны были быть введены в эксплуатацию после завершения рефулерных работ меньше чем через год на большинстве участков. Уплотнение грунтов трамбованием дало возможность не только осуществить строительство, но и обеспечить последующие допускаемые осадки грунтов.

Ниже дается краткое описание работ, которые были выполнены на участке общей площадью 30 тыс. м².

Для обеспечения допустимых абсолютных осадок под равномерно распределенной нагрузкой 5 тс/м² необходимо соблюдать следующие требования: 80 % осадок по каждому профилю должны быть менее 3 см; ни в одной точке по каждому профилю осадки не должны превышать 5 см.

Перед уплотнением грунтов трамбованием были проведены исследования с целью определения механических характеристик намытых грунтов (прессиометрические испытания, определение структуры намытых грунтов и наличие случайных линз илов). Исследования проводились в среднем, до глубины 15 м через каждый метр.

Для контроля перового давления в подстилающий сжимаемый слой илов были заложены датчики, которые использовались в течение всего периода производства работ.

Последовательность расположения слоев грунта на площадке следующая:

намытый песок - толщина слоя 8-10 м; предельное давление 3 кгс/см² в свеженамытых грунтах и 17 кгс/см² в ранее намытых грунтах; прессиометрический модуль от 15 до 140 кгс/см²;

илы - толщина слоя от 0,7 до 1,8 м; предельное давление от 1 до 4 кгс/см² прессиометрический модуль от 10 до 30 кгс/см²;

заиленные пески на глубине 12 м и ниже; предельное давление более 5 кгс/см², прессиометрический модуль более 30 кгс/см².

Работы осуществлены производственной фирмой "Текник Луи Ненар" (Франция). Для уплотнения грунтов использовали экскаватор на гусеничном ходу со свободно падающим грузом площадью 4 м и массой 16 т с высоты 25 м, т.е. с ударной энергией 400 тм.

При этом работы были проведены в следующей последовательности:

1 этап - уплотнение грунта отдельными ударами; в соответствии с сеткой 10×10 м в каждой точке производилось 20-25 ударов с удельной энергией от 80 до 100 тм/м²;

2 этап - уплотнение грунта отдельными ударами; во всех обработанных точках первого этапа производилось 20 ударов с удельной энергией 80 тм/м²;

3 этап - уплотнение непрерывным трамбованием; уплотнение по всей поверхности обрабатываемого участка (выравнивающее трамбование) с удельной энергией 40 тм/м² [24].

Во время работ контроль уплотнения осуществляли измерением объема углубления и валиков выпора грунта, средних осадок после уплотнения (10-20 см при уплотнении отдельными ударами, 5 см при уплотнения непрерывным трамбованием), избыточного порового давления, которое быстро рассеивалось. Между каждым из этапов производства работ по уплотнению грунтов соблюдался 10-дневный перерыв.

Контрольные скважины были пробурены на глубину 15 м. В процессе контроля выявлено значительное увеличение средней величины предельного давления. В результате проведенных работ прочность грунта возросла на 75 % [24]. Также значительно повысилась равномерность распределения механических характеристик грунтов, так как показатель неравномерности, рассчитанный на основании данных прессиометрических испытаний, уменьшился с 0,47 до 0,27.

Последующие осадки рассматриваемых сооружений были определены по каждой контрольной скважине на основании теории Менара.

В процессе проверки соблюдения требований к осадкам грунтов под контейнерные грузовые площадки с равномерно распределенной нагрузкой 5 тс/м² выявлено, что осадки не превышали 5 см; 80% осадок были менее 3 см; средняя величина осадок составляет 2,12 см [24].

Проведенные работы показали высокую эффективность метода динамической консолидации при уплотнении слабых грунтов. Вместе с тем, когда сроки консолидации слабых грунтов в течение одного года или нескольких лет могут быть совмещены со сроками строительства, одним из наиболее широко используемых методов является метод уплотнения грунтов временной пригрузкой.

VI. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДОВ УСКОРЕНИЯ СТАБИЛИЗАЦИИ СЛАБЫХ ОСНОВАНИЙ

Дорожно-транспортной научно-исследовательской лабораторией Великобритании проведен анализ экономической эффективности различных способов ускорения консолидации грунтов [25]. Сравнивались методы дренирования (песчаные дрены, песчаные фитильные дрены, картонные фитильные дрены, продольные дрены), динамической консолидации и временной пригрузки.

Результаты экономического анализа этих методов, а также оптимальная область их применения в зависимости от глубины слабого грунта и площади участка приведены на рис. 10. Применение песчаных дрен, скважины для которых устраивают посредством размыва, и динамическая консолидация являются наиболее экономичными методами.

Рис. 10. Рекомендуемые области применения различных методов стабилизации слабых оснований:

1 - дренирование песчаными дренами; 2 - то же, продольными дренами; 3 - то же, песчаными фитильными дренами; 4 - метод динамической консолидации.

Экономичным способом ускорения консолидации проницаемых грунтов при небольшой толщине сжимаемого слоя является также применение пригрузки, однако для определенных типов грунтов данный способ (если он не используется в комбинации с устройством дрен) не эффективен (значительного ускорения осадок не наблюдается).

Затраты на пригрузку в комбинации с устройством песчаных дрен (размыв скважин) приблизительно аналогичны самым низким стоимостным показателям динамической консолидации.

Песчаные фитильные или обычные песчаные дрены не экономичны в том случае, когда для устройства скважин применяют технологию вращательного бурения или бурения с промывкой. При этом затраты будут почти в 2, а при необходимости укрепления стенок скважин в 4 раза больше затрат на динамическую консолидацию.

При мощности слабого грунта до 6 м и площади участка до 5000 м² более эффективен и экономичен способ устройства продольных дрен.

В настоящее время в Великобритании самым распространенным способом ускорения консолидации является применение временной пригрузки [25].

Специалистами 16 стран (Бельгии, Канады, Финляндии, Франции, ФРГ, Ирландия, Италии, Японии, Голландии, Норвегии, Испании, Швеции, Швейцарии, Турции, Англии, США) составлен отчет [26] о международном уровне развития строительства автомобильных дорог на сжимаемых основаниях, в котором дан краткий сравнительный анализ экономической эффективности различных методов стабилизации оснований. В отчете указывается на то, что относительные затраты на разные методы различны и зависят от местных условий. Наиболее дешевым является метод временной пригрузки.

Оборудование строительной площадки для устройства вертикальных дрен требует больших затрат, поэтому при небольших объемах работ этот метод рассматривается как неэкономичный. Метод динамической консолидации по затратам оценивается так же, как и устройство вертикальных дрен, поэтому обработка малых площадей также экономически невыгодна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В обзоре рассмотрены основные способы обеспечения стабильности дорожных насыпей на слабых и сильносжимаемых грунтах. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что если сроки консолидации слабых грунтов не превышают сроки строительства, то одним из наиболее рациональных методов стабилизации слабого основания является метод временной пригрузки. Важным преимуществом временной пригрузки является то, что она дает возможность ускорить не только первичные (фильтрационный), но и вторичные осадки и осадки ползучести.

Даны теоретическое обоснование метода временной пригрузки, расчет ее величины и продолжительности действия. Показано, что по условиям ускорения осадок пригрузка будет эффективна лишь в том случав, если ев величина не меньше минимально допустимой.

Временная пригрузка применяется и в сочетании с вертикальными дренами, поскольку дрены ускоряют только фильтрационные осадки. Опыт показывает, что устройство вертикальных дрен совместно с временной пригрузкой наиболее целесообразно при строительстве на органических илах (сапропелях), когда необходимо ускорить отвод воды из водонасыщенного основания, а применение одной пригрузки не дает эффекта вследствие замедленного отжатия воды из таких грунтов. Для торфяных грунтов, наоборот, устройство дрен в большинстве случаев нецелесообразно, поскольку их водопроницаемость и сжимаемость достаточно высоки и длительность фильтрационной осадки не является определяющей. Однако, если относительные осадки органо-минеральных грунтов находятся в пределах 0,15-0,30 вопрос об использовании вертикальных дрен должен решаться с учетом фактической водопроницаемости органо-минеральных грунтов. Из конструктивных решений заслуживают внимания ленточные дрены из текстильных синтетических материалов.

Метод уплотнения грунтов трамбованием в последнее время получил развитие в результате увеличения мощности ударов и применения специальной технологии производства работ, позволяющих уплотнять грунты на глубину до 20 м. Метод опробован как на недостаточно уплотненных минеральных грунтах (пески, глины, крупнообломочные материалы), так и при уплотнении слабых оснований, сложенных органо-минеральными грунтами, при этом получены хорошие результаты.

Выбор метода стабилизации слабого основания зависит от многих факторов и в каждом случае должен быть обоснован технико-экономическими расчетами.

список литературы

1. Руководство по проектированию земляного полотна автомобильных дорог на слабых грунтах/Минтрансстрой СССР, Союздорнии. - М.: Транспорт, 1978.

2. Яромко В.Н. О типизации слабых оснований по характеру консолидации. - Основания, фундаменты и механика грунтов, 1983, № 4

3. Яромко В.Н. Прогнозирование осадок слабых водонасыщенных грунтов. - Основания, фундаменты и механика грунтов, 1977, № 3

4. Амарян Л.С. О закономерностях одномерного уплотнения органо-минеральных грунтов. - Основания, фундаменты и механика грунтов, 1980, № 5.

5. Инструкция по расчету дорожных насыпей на торфяных грунтах: РСН 09-84/Госстрой БССР. - Минск, 1984.

6. Проектирование транспортных узлов в сложных геологических условиях/ И.Е.Евгеньев, В.Н. Яромко, В.В. Сеськов и др. - Автомоб. дороги, 1979, № 2.

7. Евгеньев И.Е., Казарновский В.Д. Земляное полотно автомобильных дорог на слабых грунтах. - М.: Транспорт, 1976.

8. Яромко В.Н., Банников Н.Д., Сеськов В.Е. Опыт применения предварительной консолидации и временной пригрузки. - М., 1976. - (Тр./Союздорнии; Вып.91).

9. Яромко В.Н. О путях ускорения сроков сооружения земляного полотна нефтепромысловых дорог на болотах. - В кн.: Строительство и эксплуатация автомобильных дорог и мостов. Ч,1, Минск, 1982.

10. Разработка технологии и предложений по ускоренному строительству дорог в Западной Сибири и оказание помощи в их внедрении/Белдорнии. - Минск, 1983.

11. Recordon E. Sctzung des Untergruades unter Dimnen. - Strasse und Verkehr, 1975, № 8.

12. Методические рекомендации по расчету и технологии сооружения вертикальных песчаных дрен и песчаных свай при строительстве земляного полотка на слабых грунтах/Союздорнии. - М., 1974.

13. Полуновский А.Г., Пудов Ю.B., Растворцев А.С. Ускорение уплотнения слабых грунтов ленточными дренами. - ЭИ/ВПТИ - трансстрой. Стр-во трансп. гидротехн. сооружений, 1983, вып.2.

14. Вопросы строительства насыпей на слабых грунтах/ ВЦП. -№ Ц-52942.

15. Последние достижения в области производства тяжелых работ на слабых грунтах на грузовых площадках в Бордо и других портах/ВЦП. - № Г-31357.

16. Вреднее А.В. Эффективность применения комбинированных дрен отечественного производства при консолидации оснований, - Основания, фундаменты и механика грунтов, 1981, № 4.

17. Полуновский А.Г., Брантман Б.П. Применение нетканых синтетических материалов при строительстве автомобильных дорог на слабых грунтах. - М., 1979. - (ОИ/Оргтрансстрой).

18. Wicks, fabrics and sawdust overcome thick mud. - Civil Engineering, 1981, № 7.

19. Ускорение осадки насыпей на слабых грунтах с помощью ленточных дрен/А.В. Бреднев, А.Г. Полуновский, Ю.Г. Пудов. - Автомоб. дороги, 1982, № 6.

20. Выводы, полученные при пересечении заторфованной долины/Бел-НИИНТИ. - № 287/2.

21. Eder P., Apotheloz R. Das DYNIV - Verfahren. - Strasse und Verkehr, 1966, № 4.

22. Marhand I.-P. Premieres experiments avec procede de consolidation dynamique. - Strasse und Verkehr, 1976, № 5.

23. Klosinski В., Gawor B. Wzmocnienie gruntov nasypowych udarami о duzej eaergii. - Drogowniechwo, 1981, № 7-8.

24. Динамическое уплотнение дорожных оснований. - ЭИ/Оргтрансстрой. Трансп. стр-во за рубежом, 1977, № 7.

25. An economic assessment of methods of accelerating the consolidation of natural Soils. - TRRL Supplementary-Report, 1977, № 203.

26. Bruggenmann K. Bau von Strassen auf setzungsemphfindlichen Untergvund. - Strasse und Autobahn, 1982, № 2.