Российские ученые разработали метод оценки пригодности местных пород для строительства дорог
Ученые Пермского Политеха и Санкт-Петербургского горного университета разработали метод расчета оптимальной плотности и влажности дорожных стройматериалов — песчаников и глин. Методика позволяет эффективно использовать местные грунты при прокладке автотрасс и экономить привозные материалы.
Современное строительство инфраструктуры — дорог, дамб и т.д. — 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 (ПГС) за сотни километров, что резко удорожает любой проект. 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 сильно выветрелые осадочные отложения — песчаники и аргиллиты, склонные к морозному пучению, набуханию и имеющие низкую прочность. Эти негативные свойства местных пород 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 (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 проблемы авторы исследования создали и испытали серию образцов, в которых песчаник и аргиллит смешивали в разных пропорциях. Каждую смесь уплотняли по стандартной методике, которая имитирует процесс трамбовки грунта в реальных условиях. 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 один из авторов разработки, доцент кафедры «Строительное производство и геотехника» ПНИПУ, кандидат технических наук Евгения Акбулякова.
По словам ученых, 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», — добавила Евгения Акбулякова.
Разработчики отмечают, что точность прогноза плотности превышает 99 %. Благодаря новой методике проектировщики смогут заранее и точно определять физические характеристики получаемого грунта и режим его укладки, не тратя время и средства на дорогостоящие лабораторные пробы для каждого нового участка. А использование местного сырья сократит сроки и стоимость строительства.