ПОВЫШЕНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ЗЕМЛЯНЫХ ПОЛОТЕН К ЦИКЛИЧЕСКИМ НАГРУЗКАМ С ПОМОЩЬЮ ИННОВАЦИОННЫХ ГЕОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ

АННОТАЦИЯ

Циклические нагрузки от транспорта и природных факторов приводят к деформации и разрушению дорожных конструкций, что требует дорогостоящего ремонта и создает угрозу безопасности дорожного движения. Эффективные методы укрепления грунтов позволяют снизить эти риски и повысить долговечность дорог. В статье исследуется влияние кратковременных циклических нагрузок на суглинистый грунт, укрепленный различными геоматериалами (геотекстиль, геосетка) и стабилизаторами (цемент, известь, базальтовая фибра). В ходе исследования проводятся лабораторные испытания на образцах грунта, которые подвергаются циклическим нагрузкам, имитирующим реальные условия эксплуатации дорожного покрытия. Результаты показывают, что комбинированное использование геоматериалов и стабилизаторов позволяет значительно снизить деформацию и повысить устойчивость грунта к циклическим нагрузкам, что способствует увеличению долговечности и безопасности дорожных конструкций.

ABSTRACT

Cyclic loads from transport and natural factors lead to deformation and destruction of road structures, which requires expensive repairs and poses a threat to road safety. Effective methods of soil strengthening can reduce these risks and increase the durability of roads. The article examines the effect of short-term cyclic loads on loamy soil reinforced with various geomaterials (geotextiles, geogrid) and stabilizers (cement, lime, basalt fiber). During the study, laboratory tests are carried out on soil samples that are subjected to cyclic loads that simulate real operating conditions of the road surface. The results show that the combined use of geomaterials and stabilizers can significantly reduce deformation and increase soil resistance to cyclic loads, which contributes to increasing the durability and safety of road structures.

Ключевые слова: земляное полотно, циклические нагрузки, геосинтетические материалы, стабилизирующие добавки, геотекстиль, геосетка, цемент, известь, базальтовая фибра, суглинистые грунты.

Keywords: earthwork, cyclic loads, geosynthetic materials, stabilizing additives, geotextiles, geogrid, cement, lime, basalt fiber, loamy soils.

Земляные полотна играют ключевую роль в строительстве автомобильных дорог и транспортных сооружений. Постоянное воздействие циклических нагрузок от транспортных средств, ветра, воды и температурных колебаний ведет к накоплению пластических деформаций в земляном полотне [1], что становится причиной его просадки и возможного разрушения. Таким образом, циклические нагрузки снижают долговечность и увеличивают эксплуатационные затраты, а значит, поиск инновационных материалов и технологий, способных решить данную проблему, остается актуальным.

В последние годы возрос интерес к инновационным геотехническим решениям, направленным на повышение устойчивости земляных полотен. В исследованиях часто рассматриваются такие методы, как укрепление геосинтетиками, применение дренажных систем и использование стабилизаторов грунта [2, 3]. Исследования показали, что геосинтетические материалы способны снизить деформацию земляного полотна на 30-40% [4]. Инновационные модификаторы, полимеры, композитные материалы позволяют повысить прочность и устойчивость дорожных конструкций, обеспечить их более длительный срок службы [5].

Однако, несмотря на появление инновационных материалов и технологий в области дорожного строительства, остается ряд нерешенных вопросов. Во-первых, многие инновационные материалы требуют значительных инвестиций, что ограничивает их применение. Во-вторых, их эффективность может снижаться из-за специфики местных грунтов и климатических факторов, требующих дополнительных исследований и адаптации. В-третьих, недостаток стандартизированных методик исследования приводит к вариативности результатов и неопределенности в их долговременной эффективности. Не все геотехнические решения по укреплению грунтов и насыпей прошли достаточное количество лабораторных и полевых испытаний, что затрудняет объективную оценку их эффективности и надежности. Цель данной работы – сравнить воздействие кратковременных циклических нагрузок на суглинистый грунт, укрепленный инновационными геоматериалами и стабилизаторами.

Геотехнические решения включают в себя использование геосинтетических и геопластиковых материалов при укреплении грунтов, организации дренажных систем, с целью улучшения характеристик земляного полотна и снижения воздействия циклических нагрузок [6]. Применение геотекстиля, геосеток и геомембран позволяет значительно повысить прочностные характеристики земляного полотна. Исследования показывают, что использование дорожных геосинтетиков может уменьшить сползание и деформацию водонасыщенного грунта под воздействием циклического замерзания и оттаивания на 30-40% [7].

Также существуют методы стабилизации грунта с использованием традиционных материалов: цемента, извести, битумных производных, золы уноса и инновационных материалов: жидких полимеров, ферментов, смол, кислот, производных лигнина, нанокомпозитов [8], базальтовой фибры [9], что позволяет улучшить несущую способность основания насыпи и уменьшить подверженность земляного полотна циклическим деформациям.

Исследование проводилось на суглинистом грунте. Гранулометрический состав контрольного образца суглинка (без усиления и стабилизации) 35% песчаных частиц, 40% пылеватых частиц, 25% глины. Физико-механические свойства: плотность, 1.9 г/см³, влажность, 21%, прочность на сжатие 0,35 МПа. В качестве стабилизирующих добавок были выбраны цемент (4% от массы грунта), известь (3%) и базальтовая фибра (1%). Для повышения устойчивости использовались геосинтетические материалы: геотекстили и геосетка. Параметры геоматериалов указаны в Таблице 1.

Таблица 1.

Геосинтетические материалы

Для исследования были изготовлены цилиндрические образцы суглинистого грунта диаметром 100 мм и высотой 150 мм каждый. Грунт уплотнялся под давлением 0,7 МПа на гидравлическом прессе серией кратковременных импульсов общей длительностью 2 минуты. Часть образцов была модифицирована различными способами: одни были армированы геосинтетическими материалами, другие стабилизированы добавками, а третьи подверглись комбинированному усилению. Также были подготовлены контрольные образцы грунта без каких-либо модификаций.

Испытания проводились на приборе ГГП-30 конструкции Маслова-Лурье, который подвергал образцы кратковременным и циклическим нагрузкам. Для имитации реальных условий эксплуатации дорожного покрытия, на образцы воздействовали циклической нагрузкой, изменяющейся в диапазоне от 0,6 МПа до 0,1 МПа. Для этого на рычаг прибора ГГП-30, передающий вертикальное давление на грунт, устанавливалось специальное устройство, превращающее постоянную статическую нагрузку в кратковременную циклическую [10]. В ходе эксперимента вертикальная нагрузка прикладывалась к образцу в течение 0,1-0,3 секунды с интервалом между импульсами 0,3-0,5 секунды. Каждый образец подвергался 1000 циклам нагрузки, количество которых контролировалось электросчетчиком. После испытаний были определены физико-механические свойства грунтов и занесены в таблицу 2.

Таблица 2.

Результаты испытаний образцов суглинистых грунтов

Из таблицы 2 видно, что применение геосинтетических материалов и стабилизирующих добавок позволяет снизить просадку под нагрузкой и повысить сопротивление деформации суглинистого грунта воздействию кратковременных циклических нагрузок. Эффективность усиления и стабилизации зависит от выбранного материала/добавки. Комбинирование геоматериалов и стабилизаторов дает лучшие результаты.

Таким образом, внедрение комбинированных инновационных геотехнических решений для защиты земляных полотен от циклических нагрузок является важным шагом в направлении повышения надежности и долговечности транспортных сооружений. Данные методы позволят снизить эксплуатационные расходы и обеспечить безопасность дорожного движения.

Для повышения эффективности укрепления грунтов разных типов необходимы дальнейшие исследования в области разработки новых материалов, технологий и методик их применения в различных условиях эксплуатации.

Список литературы:

1. Махмудова Д. А. Исследование водно-теплового режима земляного полотна автомобильных дорог //Universum: технические науки. – 2021. – №. 5-2 (86). – С. 83-86.
2. Щербинина Ю. В., Казакова Е. В. Анализ методов улучшения свойств грунтов при возведении зданий и сооружений на железнодорожном транспорте //Сборник научных трудов Донецкого института железнодорожного транспорта. – 2022. – №. 66. – С. 32-47.
3. Смирнов Н. Н. Передовой опыт качественного строительства автомобильных дорог //NovaInfo. Ru. – 2018. – Т. 1. – №. 89. – С. 53-69.
4. Клевеко В. И. Применение геосинтетических материалов в дорожном строительстве в условиях Пермского края //Construction and Geotechnics. – 2013. – №. 1. – С. 114-123.
5. Оденбах И. А., Таурит Е. Б. Некоторые новые технологии в дорожном строительстве //Строительные материалы и изделия. – 2020. – Т. 3. – №. 1. – С. 62-69.
6. Львович Ю. М., Аливер Ю. А., Ким А. И. Геосинтетические и геопластиковые материалы в дорожном строительстве //Обзорная информация. – 2002. – №. 7. – С. 4.
7. Фишер М. Э. Исследование воздействия морозного пучения грунтов на работу оснований автомобильных дорог //Междисциплинарные исследования науки, техники и образования (НТО-1). – 2023. – С. 309-318.
8. Лазоренко Г. И. Технологии стабилизация глинистых грунтов с применением наноматериалов //Инженерный вестник Дона. – 2018. – №. 1 (48). – С. 107.
9. Махмудова Д. А., Икрамова Ф. Х. Укрепление земляного полотна с помощью инновационных материалов на основе базальта //Universum: технические науки. – 2020. – №. 12-2 (81). – С. 6-9.
10. Каюмов А. Д., Махмудова Д. А. Влияние циклических кратковременных нагрузок на физико-механические свойства уплотнённых лёссовых грунтов //Наука и техника в дорожной отрасли. – 2019. – №. 4. – С. 40-42.