Приложение Е (рекомендуемое). Методика определения модулей деформации грунтов и материалов

Приложение Е
(рекомендуемое)

Методика
определения модулей деформации грунтов и материалов

Модуль деформации грунта или материала дорожной одежды следует определять, располагая полученными экспериментальными данными об осадках штампа при разных значениях удельных давлений, по формуле (Е.1):

,

(Е.1)

где р - удельное давление на штамп при относительной деформации ;

- относительная деформация, (I - полная осадка штампа диаметром D).

Зависимость между величиной вертикального давления на штамп и его погружением в грунт или одежду, как правило, не бывает линейной. Поэтому значения модулей деформации получаются неодинаковыми для разных нагрузок на штамп и осадок последнего.

В зависимости от типа и конструкции одежды, а также расположения в ней испытываемого материала величину относительной деформации при определении расчетного модуля деформации следует принимать для дорожных одежд (таблица 8) - 0,04-0,08; грунтов земляного полотна - 0,010-0,020.

Е.1 Непосредственное определение модулей деформации в полевых условиях

Модули деформации грунтов и материалов дорожной одежды на существующих дорогах следует определять посредством пробных нагружений с помощью передвижного пресса. В этом случае значения модулей деформации устанавливаются на момент испытания, поэтому для получения расчетных значений модулей испытания следует проводить в весенний (осенний) период, наиболее неблагоприятный для работы дорожной конструкции.

Е.1.1 Испытания дорожных одежд пробным нагружением следует выполнять с помощью специального передвижного пресса, либо для этой цели может быть использовано более простое оборудование, состоящее из гидравлического или механического домкрата, манометра (или мездозы - в случае применения механического домкрата), набора штампов и индикаторов для замера осадок штампа. В процессе испытаний домкрат упирают в раму груженого автомобиля или прицепа либо в балку, подведенную под раму двух автомобилей или прицепов (рисунок Е.1) На период испытаний необходимо блокировать рессоры автомобилей. Применяемая для испытания установка должна иметь мощность пресса, достаточную для нагрузок, превышающих расчетные в 2-3 раза.

1 - штамп; 2 - домкрат; 3 - упорная балка; 4 - мессуры; 5 - балки для крепления мессур; 6 - опоры балок

Рисунок Е.1 - Схема передвижного пресса

Осадку штампа следует замерять с помощью двух индикаторов (обычно мессур), установленных вдоль диаметра штампа на равном расстоянии от его центра. За истинное вертикальное смещение центра штампа следует принимать полусумму отсчетов по индикаторам. Индикаторы должны быть надежно закреплены на жесткой реперной балке, точки опоры которой должны быть удалены не менее чем на два диаметра от штампа. Опоры установки (колеса автомобиля или прицепов) должны быть удалены от опор реперной балки и штампа не менее чем на два диаметра последнего.

Е.1.2 Пробные нагружения с помощью передвижного пресса. Штамп расчетного диаметра устанавливают на поверхности покрытия и нагружают ступенями до тех пор, пока не будет достигнута относительная деформация, не меньшая расчетной для одежд с покрытием данного типа (таблица 8). Расчетный диаметр штампа следует выбирать по таблице 6. Величину каждой ступени нагрузки необходимо выбирать таким образом, чтобы для достижения расчетной деформации требовалось 3-4 ступени нагрузки. Каждую ступень нагрузки выдерживают до практически полной стабилизации осадки (не более 0,05 мм за пятиминутный интервал), при этом записывают показания индикаторов, после чего передается нагрузка следующей ступени.

На основании полученных данных строят кривую зависимости относительной осадки от удельного давления и по ней устанавливают величину удельного давления, соответствующую расчетной относительной деформации. Эквивалентный модуль деформации одежды вычисляют по формуле (Е.2):

,

(Е.2)

где р - удельное давление на штамп, кг/см², соответствующее расчетной относительной деформации;

- коэффициент, учитывающий многослойность конструкции.

Рядом с местом, где производилось испытание (на расстоянии примерно 1,5-2,0 м от него) одежду вырубают до подстилающего грунта. В образовавшийся шурф диаметром около 1,25 м непосредственно на грунт земляного полотна устанавливают штамп диаметром 50-75 см (учитывают распределение нагрузки вышележащими слоями по большей площади). Штамп нагружают ступенями до достижения относительной осадки  = 0,01 - 0,02. Величину каждой ступени выбирают с таким расчетом, чтобы для достижения необходимой относительной осадки требовалось 3-4 ступени нагрузки. На основании полученных данных строят кривую зависимости относительной осадки от удельного давления (рисунок Е.2) и по ней устанавливают величину удельного давления р₀, соответствующую расчетной относительной осадке . Модуль деформации грунта земляного полотна вычисляют по формуле (Е.3):

.

(Е.3)

Рисунок Е.2 - Кривая зависимости относительной осадки от удельного давления

Е.1.3 На основании результатов испытаний одежды пробным нагружением могут быть получены также приближенные значения модулей деформации материалов отдельных конструктивных слоев. Для этого одежду испытывают штампом расчетного диаметра послойно. После испытания на поверхности покрытия последнее удаляют и штамп устанавливают на верхний слой основания и т.д. - до подстилающего слоя.

На основании полученных данных по формуле (Е.2) вычисляют эквивалентные модули деформации на поверхности каждого конструктивного слоя одежды. Зная эквивалентный модуль деформации нижележащих слоев Е_Д.О и эквивалентный модуль на поверхности выше лежащего слоя Е_Д.экв, а также толщину этого слоя h, можно подбором по номограмме (рисунок 8) найти приблизительное значение модуля деформации материала данного конструктивного слоя.

При испытании пробным нагружением штамп должен плотно прилегать по всей площади к поверхности испытываемого конструктивного слоя или грунта. Поэтому перед установкой штампа поверхность следует тщательно выровнять, не нарушая структуры материала. В отдельных случаях может потребоваться подливка под штамп быстротвердеющего цементного раствора, россыпь тонким слоем (1-2 мм) просеянного через сито с отверстиями в 1 мм песка и др.

При испытаниях одежд и грунтов пробным нагружением должны подробно фиксироваться толщина, состав и свойства материалов отдельных конструктивных слоев одежды, а также состав, свойства, состояние и условия увлажнения грунта земляного полотна.

Е.2 Определение модулей деформации путем испытания грунтов и материалов в лаборатории и на полигонах

Е.2.1 Определение модулей деформации грунтов в лаборатории. Образцы грунтов для определения модуля деформации испытывают в лаборатории путем вдавливания штампа на рычажном прессе с фиксацией получающейся зависимости деформации от давления.

Расчетные значения модулей деформации могут быть получены этим методом только в том случае, если грунт или материал испытывают при той влажности и структуре, которые они будут иметь в дорожной конструкции в наиболее неблагоприятный период ее службы.

Образцы приготавливают путем послойного уплотнения до расчетной плотности при расчетной влажности (либо до принятых для сопоставления плотностей и влажностей) грунта в металлической цилиндрической форме, диаметр которой должен быть не менее четырех, а высота слоя грунта - не менее трех диаметров штампа.

Так как штамп для испытания применяется диаметром 4-5 см, то размеры формы должны быть 15 х 15 - 20 х 15 см.

Грунт, находящийся в форме, уплотняют либо трамбованием (в 3-4 приема), либо под прессом до достижения расчетной плотности в каждом слое. После приготовления образца форму с грунтом выдерживают во влажном эксикаторе не менее суток, чтобы обеспечить более равномерное распределение влаги в образце и восстановление структуры пленок связанной воды, в той или иной степени нарушенной в процессе уплотнения грунта.

Перед испытанием образца верхний слой грунта толщиной 1-2 см удаляют. Для этого должна быть форма со съемной, разрезанной по образующей надставкой (рисунок Е.3). Образец уплотняют на 1-2 см выше поверхности основной формы и вместе с надставкой выдерживают в эксикаторе.

1 - форма; 2 - надставка

Рисунок Е.3 - Форма со съемной надставкой

Перед испытанием надставку снимают и излишек грунта срезают заподлицо с поверхностью основной формы туго натянутой тонкой проволокой.

Посередине образца устанавливают круглый штамп с заплечиками, в которые упираются ножки мессур, фиксирующих осадки (рисунок Е.4). При этом штамп должен плотно прилегать к поверхности образца.

1 - штамп; 2 - форма с образцом грунта; 3 - мессуры

Рисунок Е.4 - Схема установки штампа и мессур

Штамп на рычажном прессе следует нагружать ступенями с выдерживанием каждой ступени нагрузки до практически полной стабилизации осадки (разница отсчетов по мессурам должна быть не более 0,01 мм за 5 мин). После этого делают отсчеты по мессурам и дают следующую ступень нагрузки. За величину осадки штампа следует принимать полусумму разностей отсчетов по двум мессурам. Количество ступеней нагрузки должно быть 3-4 до достижения относительной деформации, равной 0,03. По данным испытания строят зависимость величины относительной деформации от удельного давления (рисунок Е.2) и на основании этой зависимости по формуле (Е.3) вычисляют значения модулей деформации при относительной осадке штампа  = 0,01, 0,02 или 0,03. Проводят два или более параллельных испытаний.

Аналогичным образом могут быть определены в лаборатории модули деформации гравийных, грунтощебеночных и других материалов, имеющих размер зерен не крупнее 15-20 мм, из которых в лабораторных условиях могут быть приготовлены образцы, приближающиеся по структуре к состоянию материала в конструктивных слоях одежды.

При испытании вдавливанием штампа несвязных грунтов нужно давать пригрузку вокруг штампа около 0,005 МПа.

При испытании материалов, содержащих крупные зерна, диаметр штампа должен не менее чем в 4 раза превышать размер зерна. Соответственно необходимо увеличить размеры формы для приготовления образцов и применять штампы большего диаметра.

Е.2.2 Определение модулей деформации материалов на полигонах. Модули деформации крупноскелетных материалов, а также материалов, для надлежащего формирования которых необходимо применять катки и другие специальные уплотняющие средства, вдавливанием штампа можно определить лишь путем проведения испытания на крупных монолитах, создаваемых в условиях, приближающихся к производственным.

Послойным уплотнением материала необходимо получать монолит высотой 1,0-1,2 м с размерами в плане не менее 1,5 x 1,5 м, который, будучи соответствующим образом увлажненным, испытывают вдавливанием штампа расчетного диаметра, с фиксацией получающейся зависимости деформации от давления.

Если специальной установки нет, необходимый для испытания монолит может быть получен путем послойного уплотнения материала в котловане, отрытом в плотном грунте. В этом случае нагрузку на штамп передают с помощью передвижного пресса для испытания покрытий либо передвижной испытательной установки.

Испытываемый материал укладывают и уплотняют в котловане послойно. По окончании загрузки котлована материал при необходимости увлажняют и на его выровненную поверхность устанавливают круглый штамп расчетного диаметра. Штамп должен плотно прилегать к поверхности испытываемого материала. При испытании крупнопористых каменных материалов, особенно прочных пород, целесообразно поверхность смазать жестким цементным раствором с применением глиноземистого цемента. Штамп устанавливают на цементную смазку. В этом случае испытание может быть начато не ранее чем через сутки, когда цементный раствор в достаточной степени затвердеет. Поверхность может быть выровнена также песком, рассыпаемым слоем небольшой толщины.

Штамп нагружают ступенями, с выдерживанием каждой ступени нагрузки до практически полной стабилизации осадки (разность отсчетов по мессурам не более 0,05 мм за 5 мин), после чего дают следующую ступень нагрузки.

Осадку штампа замеряют мессурами, укрепленными на реперной балке, опоры которой должны быть удалены от штампа на расстояние не менее двух диаметров.

Величину каждой ступени нагрузки выбирают таким образом, чтобы для достижения расчетной относительной осадки требовалось 3-4 ступени.

По данным испытания строят зависимость относительной осадки от удельного давления (рисунок Е.2) и на основании этой зависимости по формуле (Е.2) рассчитывают значение модуля деформации испытываемого материала при расчетной для данных условий величине относительной деформации .

Е.3 Установление модулей деформации грунта земляного полотна расчетным путем на основании данных о службе дорожной одежды под движением

Этим методом могут быть получены предельные значения модулей деформации грунта земляного полотна, а также дорожной одежды на эксплуатируемых дорогах в тех случаях, когда имеются данные за ряд лет об условиях работы одежды под воздействием движения в неблагоприятные периоды года.

Значения модулей деформации на отдельных участках устанавливают в данном случае с использованием основных зависимостей существующего метода расчета нежестких одежд. На основании данных о работе одежды на отдельных участках при имеющемся движении устанавливают предельную величину эквивалентного модуля деформации существующей одежды по формуле (Е.4):

,

(Е.4)

где N - приведенная к расчетному автомобилю интенсивность движения на дороге в неблагоприятный период года;

р - удельное давление на одежду от расчетного автомобиля;

- расчетная относительная деформация, принимаемая по таблице 8;

- коэффициент, учитывающий повторяемость нагрузок, при однополосной проезжей части - 2, при двухполосной - 1.

Фактические значения модуля деформации одежды на отдельных участках будут больше модулей, полученных расчетом по формуле (Е.4), если на этих участках за период службы одежды не отмечено каких-либо деформаций, обусловленных недостаточной прочностью конструкций, и, в свою очередь, будут меньше модулей, полученных расчетом по формуле (Е.4), если в отдельные годы имелись деформации, указывающие на недостаточную прочность конструкции при существующем движении.

После того как установлены предельные значения эквивалентных модулей деформации одежды для имеющихся на отдельных участках конструкций одежды, назначают расчетные модули деформации материалов конструктивных слоев с учетом состава и свойств материалов и условий увлажнения их в конструкции, после чего модуль деформации подстилающего одежду грунта Е₀ определяют по номограмме, приведенной на рисунке 8.

Чем за большее число лет имеются данные, характеризующие состояние одежды и условия ее работы под движением в неблагоприятные периоды года, а также состав и интенсивность движения в эти периоды, тем надежнее получаемые расчетом предельные значения модулей деформации одежды и грунта земляного полотна. При этом для расчета следует использовать данные за год (или годы), когда одежда работала хуже всего при наименьшем движении.

Нельзя использовать значения модулей деформации, когда эти данные относятся к годам с заведомо благоприятным водно-тепловым режимом земляного полотна в данной местности.