Строительство инфраструктуры требует снижения затрат при обеспечении долговечности. Основная статья расходов — логистика: доставка качественных материалов (щебень, ПГС) за сотни километров. Решение — использование местных грунтов. Но часто это древние выветрелые породы (песчаники, аргиллиты), склонные к пучению, набуханию и имеющие низкую прочность. Они вынуждают к дорогим компромиссам: либо полной замене на привозной материал, либо сложному и затратному улучшению на месте. Для решения проблемы ученые Пермского Политеха и Горного университета разработали метод расчета оптимальной плотности и влажности для смесей из этих пород. Точность данного прогноза превышает 99%. Это позволяет создавать на месте стабильное уплотненное основание, пригодное для дорожного строительства.
Статья опубликована в журнале «Soil Mechanics and Foundation Engineering».
Современное строительство инфраструктуры — дорог, дамб — сталкивается с непростой дилеммой: необходимо — с одной стороны снижать стоимость и сроки работ, а с другой — гарантировать долговечность и устойчивость конструкций. Одним из главных факторов затрат является логистика: часто приходится везти качественный щебень или песчано-гравийную смесь за сотни километров, что резко удорожает любой проект. Именно поэтому все больше внимания уделяется использованию местных грунтов в качестве искусственных оснований и для отсыпки земляного полотна дорог.
Однако серьезной проблемой становится ситуация, когда в качестве такого местного грунта для отсыпки выступают древние, сильно выветрелые осадочные отложения, в частности, песчаники и аргиллиты пермского периода. Эти породы, сформировавшиеся около 300 миллионов лет назад, залегают на обширных территориях Юго-Западного Китая, в ряде стран Западной Европы, в Северной и Южной Америке, а также в России, осложняя строительство в целом ряде ключевых промышленных регионов. С ними сталкиваются инженеры на Урале, в Поволжье, в Западной Сибири и в центральной части страны.
Главная сложность работы с такими породами заключается в их особых строительных свойствах: высокой склонности к морозному пучению, набуханию и размоканию, низкой прочности.
Именно эти свойства вынуждают проектировщиков и строителей идти на компромиссы, каждый из которых имеет серьезные недостатки. Чаще всего выбирают самый радикальный путь — полную замену грунта на привозной материал (например, щебень, песок, ПГС), что влечет за собой колоссальные логистические издержки. Альтернативой является попытка «улучшить» песчаники и аргиллиты прямо на стройплощадке путем добавления цемента, извести или других химических реагентов. Однако этот процесс требует специального оборудования и точного контроля, превращая простую отсыпку в сложную высокотехнологичную операцию.
Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из Горного университета разработали метод расчета максимальной плотности и оптимальной влажности для смесей песчаников и аргиллитов. Это позволяет формировать на месте стабильную уплотненную смесь с заданными свойствами, пригодную для строительства дорог.
Для этого была создана и испытана серия образцов, в которых песчаник и аргиллит смешивались в разных пропорциях. Каждую смесь уплотняли по стандартной методике ГОСТ 22733, которая имитирует процесс трамбовки грунта в реальных условиях — например, при строительстве насыпи или дорожного полотна. В ходе испытаний замеряли ключевые показатели — оптимальную влажность и максимальную плотность. Этот эксперимент позволил точно определить, как состав материала влияет на ее строительные свойства.
— Результаты показали, что существует оптимальная пропорция, при которой для смеси будет наблюдаться максимальная плотность. Такой эффект достигается, при содержании от 40% до 50% аргиллита. Объясняется это тем, что мелкие частицы глины заполняют собой пустоты между более крупными частицами песчаника. Получается плотная, однородная масса, — пояснила Евгения Акбулякова, доцент кафедры «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ, кандидат технических наук.
При таком составе грунт не только становится плотнее, но и его оптимальная для уплотнения влажность (то есть та самая «золотая середина», при которой грунт лучше всего трамбуется) приближается к естественной влажности. Это означает, что при строительстве не потребуется тратить дополнительную энергию и ресурсы на искусственное увлажнение или осушение огромных масс этого материала.
Более того, исследователям удалось описать найденную зависимость математически. Они вывели две расчетные формулы, что дает инженерам простой метод для проектирования оптимального состава смеси аргиллитов и песчаников.
— В одну формулу достаточно подставить содержание аргиллита, чтобы рассчитать, какая максимальная плотность смеси получится. Второй расчет позволяет определить оптимальную влажность для уплотнения смеси в зависимости от содержания аргиллита. Точность прогноза плотности превышает 99%. Благодаря этому проектировщики могут заранее и точно определить физические характеристики получаемого грунта и режим его укладки, не тратя время и средства на дорогостоящие лабораторные пробы для каждого нового участка, — добавила Евгения Акбулякова.
В результате испытаний было установлено, что правильно подобранная смесь не только достигает высокой плотности, но и позволяет кардинально сократить логистические расходы. Вместо того, чтобы вести тысячи тонн песка или песчано-гравийной смеси за сотни километров, можно использовать местный грунт прямо с объекта.
Например, для строительства 1 километра двухполосной дорожной насыпи высотой 1,5 метра требуется около 40 000 тонн грунта. При традиционном подходе с полной заменой привозным щебнем логистические расходы только на доставку могут достигать 12–15 млн рублей (из расчета 300–400 руб/т за перевозку на расстояние 100–150 км). Для крупного инфраструктурного проекта протяженностью 50 км экономия на транспортных расходах может составить 300–400 млн рублей.
Таким образом, смесь аргиллитов и песчаников подходит для отсыпки дорожных насыпей, обратной засыпки траншей и строительства дамб. Это особенно актуально для регионов, где эти породы залегают близко к поверхности. Использование местного сырья сократит сроки и стоимость строительства.
Разработанная методика позволит строителям и проектировщикам заранее, на стадии проекта, рассчитывать необходимый состав грунта, превращая местную проблемную породу в надежный и экономичный ресурс. Это решит давнюю дилемму между дорогой заменой грунта и рисками его использования.
Источник: Минобрнауки России
