ТИКСОТРОПНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА СТРОИТЕЛЬСТВО И ЭКСПЛУАТАЦИЮ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ

Юшков Б.С., Сергеев А.С., Хасанов Д.А.

DOI: 10Л2737/15608

Аннотация. Одна из наиболее часто встречающихся проблем при строительстве автомобильных дорог - сложные грунтовые условия. Статья посвящена рассмотрению тиксотропных процессов и их влиянию на строительство и эксплуатацию автомобильных дорог. Коллоидные системы под действием механической нагрузки разжижаются, что приводит к нарушению естественной его структуры. В результате происходят большие неравномерные осадки, оползнеобразования и другие негативные последствия. Следовательно, при проектировании сооружений на таких грунтах необходимо учитывать их тиксотропные свойства.

Ключевые слова: тиксотропные явления, тиксотропные системы, разжижение, разупрочнение, механическое воздействие, восстановление прочности, квазитиксотропность, автомобильные дороги.

При строительстве автомобильных дорог и искусственных сооружений

все чаще сталкиваются с проблемой сложных грунтовых условий. Необходимость передать на слабые грунты основания значительные нагрузки чаще всего приводит к большим и неравномерным осадкам. Без применения специальных методов повышения устойчивости основания происходят деформации, которые приводят к искажениям как продольного, так и поперечного профиля.

В 2014 г. в Цумадинском районе Дагестана сошел оползень, в результате которого была разрушена часть автомобильной дороги до соседнего селения (рис. 1). Общая протяженность разрушения составила 2,5 км. После проведения исследования, эксперты пришли к выводу, что целесообразнее не восстанавливать разрушенную дорогу.

Рисунок 1 - Оползень в Дагестане разрушил часть автомобильной

дороги

Данное происшествие произошло после схода оползня. Причиной его образования является нарушение равновесия между сдвигающей силой тяжести и удерживающими силами. Оно вызывается воздействием сейсмических толчков. Оползень является типичным примером тиксотропной системы.

Под тиксотропными явлениями понимается способность некоторых коллоидных систем разжижаться под влиянием механического воздействия (встряхивания, размешивания, вибрации, воздействия ультразвуком и т. д.) и затем, когда это воздействие устранено, переходить в прежнее гелеобразное состояние. Разжижение грунта под динамическим воздействием приводит к нарушению естественной его структуры, следовательно, происходят большие неравномерные осадки, оползнеобразования и другие негативные последствия. После прекращения воздействия на породу, происходит образование новых структурных связей, что приводит к полному или частичному накоплению прочности.

Важным свойством тиксотропных систем является их полная обратимость, т.е. независимо от количества циклов «разрушениевосстановление» происходит полное восстановление прочности до исходного значения. Однако конечная прочность грунта после восстановления либо не достигает исходного уровня, либо превышает его. Поэтому вводится понятие квазитиксотропности грунтов, в основе которых лежат все те же тиксотропные процессы, осложненные некоторыми специфическими способностями. [1]

Длительность тиксотропного восстановления и упрочнения структурных связей по данным разных авторов значительно варьирует для глинистых грунтов различного химико-минерального состава, дисперности и влажности. Многодневное и многомесячное тиксотропное упрочнение глинистых грунтов наблюдается лишь после полного разрушения структуры, а в опытах с частичным разупрочнением этот процесс завершается быстрее-максимум за несколько суток. Наибольший прирост прочности обычно отмечается в первые 3-10 минут отдыха системы. С данной точки зрения процесс восстановления можно разделить на два этапа: начальный, когда формируется структурная сетка, и завершающий, связанный с ее дальнейшим упрочнением. [2]

Существует большое количество показателей, характеризующих тиксотропные свойства грунтов:

• 1. Время застудневания - время, необходимое для обратного перехода системы из золеобразного состояния в гелеобразное. Чем меньше величина времени, тем более тиксотропна система.
• 2. Тиксотропный предел - отношение объема жидкости к объему твердой составляющей в смеси. Чем больше величина тиксотропного предела, тем более тиксотропна система.
• 3. Предел затвердевания - процентное весовое содержание влаги. Этот предел соответствует той влажности, выше которой глинистый грунт теряет способность к тиксотропным изменениям в данных условиях.

Данные показатели могут быть использованы только для сравнительной характеристики тиксотропных свойств грунтов.

Показателем, качественно характеризующим степень потенциальной способности грунтов к тиксотропному разупрочнению под влиянием вибрации, является зыбкость, характеризуемая показателем зыбкости, величина которого измеряется средним радиусом основания образца, деформированного на зыбкомере в течение 20 с. Чем выше показатель зыбкости, тем меньшей прочностью характеризуются структурные связи грунта и тем выше его способность к тиксотропному разупрочнению.

В качестве показателя, количественно характеризующего способность грунтов к тиксотропному разжижению при воздействии на них динамических нагрузок, является предел структурной прочности при динамическом воздействии, который определяют путем испытания грунта шариковым штампом на вибростоле с регулируемыми параметрами колебаний или в вибросдвиговой установке.

Одним из основных показателей, определяющих возможность тиксотропных изменений, является гранулометрический состав грунтов. Исследования показывают, что тиксотропные явления наблюдаются лишь в том случае, если в грунтах содержатся глинистые частицы (хотя бы в количестве 1,5-2 %). [3]

Рисунок 2 - Влияние содержания в грунтах глинистых частиц на их тиксотропное разупрочнение:

1,2-при вибрации с частотой 50 Гц; 3-при одиночном ударе.

Из рисунка 2. можно сделать вывод, что одиночные удары менее опасны, чем вибрационное воздействие. Тиксотропное разупрочнение убывает с увеличением содержания глинистых частиц при одиночных ударах.

Плотность грунтов также влияет на тиксотропные явления. Склонность к тиксотропным превращениям уменьшается у более рыхлых и у более плотных грунтов.

Тиксотропные свойства зависят от влажности грунтов (рис. 3). Наиболее характерны они для связных грунтов, имеющих пластичную или вязкотекучую консистенцию.

Рисунок 3 - Влияние влажности суглинистого грунта на тиксотропное разупрочнение:

1,2-при вибрации с частотой 50 Гц; 3-при одиночном ударе.

Динамическое воздействие на грунт, такое как проезд автомобиля или поезда, вызывает разупрочнение тиксотропного слоя и, если не применены специальные методы для повышения устойчивости основания, возможно появление остаточных деформаций, образование неравномерных осадок и оползнеобразование. Следовательно, при проектировании сооружений на грунтах необходимо учитывать их тиксотропные свойства.

Изучение тиксотропии следует считать первоочередной задачей грунтоведения, так как инженерно-геологическое значение тиксотропных явлений очень велико. В ряде случаев катастрофические деформации автомобильных и железных дорог, образование оползней, объясняются данным явлением. Иными словами, тиксотропия имеет довольно широкое развитие и оказывает влияние на строительство и эксплуатацию автомобильных дорог.

Для снижения отрицательного воздействия динамической нагрузки на свойства грунта разрабатываются различные мероприятия, направленные как на улучшение свойств глинистых грунтов, так и различные способы повышения стабильности земляного полотна.

Список литературы

• 1. Вознесенский Е.А. Поведение грунтов при динамических нагрузках // Учебное пособие-М.: Изд-во МГУ, 1997 - С. 190-202.
• 2. Трофимов В.Т., Королев В.А., Вознесенский Е.А. Грунтоведение.-6-е изд., переработ и доп.-М.: Изд-во МГУ, 2005. - С.538-546.
• 3. Мащенко А.В., Пономарев А.Б., Сычкина Е.Н. Специальные методы механики грунтов и механики скальных пород // Учебное пособие-Пермь: Изд- во Перм. нац. исслед. политехи, ун-та, 2014 - С.56-60.
• 4. Евгеньев И.Е., Казарновский В.Д. Земляное полотно автомобильных дорог на слабых грунтах. - М.: Транспорт, 1976. - 271 с.

Хасанов Динар Альбертович, студент 1 курса магистратуры автодорожного факультета кафедры автомобильных дорог и мостов Пермского национального исследовательского политехнического университета, г. Пермь, РФ

Сергеев Андрей Сергеевич, аспирант кафедры автомобильных дорог и мостов Пермского национального исследовательского политехнического университета, г. Пермь, РФ

Научный руководитель - Юшков Борис Семенович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автомобильных дорог и мостов Пермского национального исследовательского политехнического университета, г. Пермь, РФ

УДК 624.131.137