Исследование глинистых грунтов рабочего слоя земляного полотна для расчета на прочность дорожной одежды автомобильных дорог Республики Марий Эл

В. М. ВАЙНШТЕЙН
Е. В. ВАЙНШТЕЙН

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЛИНИСТЫХ ГРУНТОВ 
РАБОЧЕГО СЛОЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА 

ДЛЯ РАСЧЕТА НА ПРОЧНОСТЬ 

ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ 

АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ 
РЕСПУБЛИКИ МАРИЙ ЭЛ

Монография

Йошкар-Ола 

2022

УДК 625.8(470.343)
ББК 39.311-06(2Рос.Мар)

В 14

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор Поволжского государственного технологического университета М. Г. Салихов;
эксперт автономного учреждения Республики Марий Эл «Управление 
государственной экспертизы проектной документации и результатов инженерных изысканий», кандидат технических наук Л. Г. Очеева;
доктор технических наук, профессор Поволжского государственного технологического университета В. В. Савельев

Вайнштейн, В. М. 

В 14 
Исследование глинистых грунтов рабочего слоя земляного 

полотна для расчета на прочность дорожной одежды автомобильных дорог Республики Марий Эл: монография / В. М. Вайнштейн, Е. В. Вайнштейн. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2022. – 318 с.
ISBN 978-5-8158-2304-4

Приведены результаты исследования состояния глинистых грунтов 

по материалам геологических изысканий для проектирования автомобильных дорог в Республике Марий Эл. Определено изменение средней 
влажности грунтов по глубине опробования в естественных условиях, 
уточнены коэффициент вариации влажности по результатам экспериментальных данных, расчетная влажность и показатели механических характеристик грунта. Все эти параметры в совокупности со схемой нагружения автомобилей являются определяющими в формировании конструкции дорожной одежды автомобильной дороги общей сети.

Для студентов направления 08.04.01 «Строительство», обучаю
щихся по программе магистратуры, аспирантов, специалистов дорожной 
отрасли.

УДК 625.8(470.343)

ББК 39.311-06(2Рос.Мар)

ISBN 978-5-8158-2304-4
© В. М. Вайнштейн, Е. В. Вайнштейн, 2022
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2022

ПРЕДИСЛОВИЕ

В данной монографии представлен опыт исследования состояния 

распространенности грунтов по материалам геологических изысканий автомобильных дорог в Республике Марий Эл. 

Задача исследования – по данным геологических изысканий 

определить фактическое значение коэффициента вариации глинистого грунта, так как его значение отличается от нормативного. Это в 
конечном итоге изменяет механические характеристики грунтов, что 
оказывает влияние на толщину конструктивных слоев дорожной 
одежды. 

При геологических изысканиях для проектирования автомобиль
ных дорог в соответствии с пикетом прохождения трассы, скважины, 
типом местности (пашня, лес, населенный пункт), а также условиями
увлажнения были определены следующие показатели грунтов:

- интервал опробования скважины, м;
- влажность природная, %;
- влажность на границе текучести, %;
- влажность на границе раскатывания, %;
- число пластичности;
- показатель текучести;
- плотность грунта природной влажности, т/м3;
- плотность сухого грунта, т/м3;
- истинная плотность, г/см3;
- пористость, %;
- степень влажности;
- номенклатура грунта по ГОСТ 25100-2020.
Все эти параметры в совокупности со схемой нагружения авто
мобилей являются определяющими в формировании конструкции дорожной одежды.

Авторы надеются, что результаты настоящих исследований ока
жутся полезными для производственников дорожной отрасли, аспирантов, магистров, бакалавров и других специалистов.

ВВЕДЕНИЕ

Конструкции дорожных одежд, их общая толщина и толщина 

отдельных слоев, а также применяемые материалы должны обеспечивать стабильную во времени сплошность, ровность и шероховатость покрытия при воздействии расчетных транспортных нагрузок. 
Запроектированные дорожные одежды должны быть не только 
прочными и надежными в эксплуатации, но экономичными и наименее материалоемкими, а также должны соответствовать экологическим требованиям. 

При проектировании дорожных одежд необходимо выбирать до
рожно-строительные материалы и назначать их рациональное размещение в конструкции с учетом грунтово-гидрологических условий 
земляного полотна. Проектирование дорожной одежды представляет 
собой единый процесс конструирования и расчета дорожной одежды 
и рабочего слоя земляного полотна на прочность, морозоустойчивость и осушение с технико-экономическим обоснованием вариантов.

Целью исследования состояния глинистых грунтов по материа
лам геологических изысканий являются определение изменения средней влажности грунтов по глубине опробования в естественных условиях, уточнение коэффициента вариации влажности по результатам 
экспериментальных данных, определение расчетной влажности и механических характеристик грунта для районов Республики Марий Эл.

Фактическое значение коэффициента вариации в РМЭ по мате
риалам экспериментальных исследований отличается от нормативного. Это в конечном значении изменяет механические характеристики грунтов, что оказывает влияние на толщину конструктивных 
слоев дорожной одежды и ее прочность. 

ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ ГРУНТОВЫХ 

ОСНОВАНИЙ НЕЖЕСТКИХ ДОРОЖНЫХ ОДЕЖД 

АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ ОБЩЕЙ СЕТИ

Цель исследования состояния глинистых грунтов по материалам 

геологических изысканий – определение изменения средней влажности грунтов по глубине опробования в естественных условиях, уточнение коэффициента вариации влажности по результатам экспериментальных данных, определение расчетной влажности и механических характеристик грунта. Тема исследования актуальна, так как расчетная влажность грунта при проектировании и расчете конструкции 
дорожной одежды по нормативным источникам [27] определяется с 
помощью усредненного по Российской Федерации коэффициента вариации, равного 0,1 [27]. Определение фактического значения коэффициента вариации в Республике Марий Эл по материалам экспериментальных исследований [23] отличается от нормативного. Это в конечном значении позволяет скорректировать механические характеристики грунтов, что оказывает влияние на определение толщины 
конструктивных слоев дорожной одежды. 

Состояние глинистых грунтов в естественных условиях, измене
ние средней влажности грунтов по глубине опробования изучалось на 
основе геологических изысканий проведённых при проектировании 
дорог в 6 районах РМЭ. Исследовано строение грунтов на автодорогах протяжённостью 134,7 км. Произведено бурение 551 скважины 
[23]. 

Геологический разрез по оси трассы во всех районах представлен 

суглинками четвертичного возраста и глинами пермского возраста. 
Прослойки мелких, средних и пылеватых песков встречаются на глубинах: в Сернурском районе – 3-7 м, в Советском – 3-9 м, в МариТурекском – 1,5-3 м, в Новоторъяльском – 1,5-4,5 м, в Моркинском 
районе – 0,5-1,8 м. 

Геологический разрез по оси трассы в Юринском и Килемарском 

районах представлен песками средней, мелкой крупности и глинистыми грунтами. Супеси встречаются редко.

Состояние грунтов, их характеристики рассмотрены в условиях 

разного рельефа местности, по которой проходит автомобильная дорога, а именно: на пашне, в лесном массиве, населенном пункте.  

Точность расчета дорожных одежд во многом определяется 

назначением расчетных характеристик грунтов в теле земляного полотна, от которых в основном зависит прогиб многослойной конструкции. Расчетные характеристики грунтов зависят от влажности, 
плотности и вида грунта. 

Исследованию влияния средней влажности связных грунтов при 

проектировании дорожных одежд нежесткого типа посвящены работы 
М. С. Коганзона, Ю. М. Яковлева, М. Г. Горячева [28], В. М. Сиденко
[29]. На основании их исследований для определения расчетной влажности грунта разработана формула, вошедшая в ОДН 218.046-01 [21] 
и позднее ПНСТ 542-21 [27].

Величину расчетной влажности грунта в зависимости от влажно
сти на границе текучести устанавливают с учетом уровня проектной 
надежности по формуле [27]       

𝑊𝑝 = (𝑊таб + Δ + Δ1𝑊 − Δ2𝑊) ⋅ (1 + 𝑡 ⋅ 𝐶𝜈) − Δ3 ,          (1.1)

где 𝑊таб – среднее многолетнее значение относительной (в долях от 
границы текучести) влажности грунта, наблюдавшееся  в наиболее 
неблагоприятный (весенний) период года в рабочем слое земляного 
полотна, определяемое по таблице В.1 [27] в зависимости от дорожноклиматической зоны и подзоны, схемы увлажнения грунта рабочего 
слоя и типа грунта; 

 – поправка, равная 0,00 для участков насыпей и 0,03 для участ
ков, проходящих в выемках и/или низкой насыпи с рабочей отметкой 
менее руководящей отметки для данного типа грунта и типа местности по характеру увлажнения;

Δ1𝑊 – поправка на особенности рельефа территории, принимае
мая для равнинных условий 0,00, предгорных – 0,03, горных – 0,05; 

Δ2𝑊 – поправка на конструктивные особенности проезжей части 

и обочин (табл. В.2 [27]);

3 – поправка на влияние суммарной толщины стабильных слоев 

дорожной одежды (рис. В.2 [27]);

t – коэффициент нормированного отклонения, принимаемый в 

зависимости от заданного уровня проектной надежности конструкции дорожной одежды Кн (табл. В.3 [27]); 

C – фактический коэффициент вариации влажности при обсле
довании грунтов (по ПНСТ 542-21, C = 0,1 для РФ).

Коэффициент вариации влажности рассчитывается по формуле

𝐶𝜈 =
𝜎

𝑊0ср

,
(1.2)

где  – среднее квадратичное отклонение;

𝑊0 – относительная влажность грунта;
𝑊0ср – статистическая оценка математического ожидания
Относительная влажность грунта определяется по формуле

𝑊0 = 𝑊пр

𝑊Т

,
(1.3)

где Wпр – природная влажность грунта, %; 

Wт – влажность грунта на границе текучести, %.
Эмпирическая вероятность превышения относительной влажно
сти грунта определяется по формуле

𝑃𝑖 =
𝑚

𝑛 + 1 ,
(1.4)

где m – порядковый номер значения случайной величины в ранжированном по возрастанию статистическом ряду; 

n – количество экспериментальных данных.
𝑊0ср – статистическая оценка математического ожидания опре
деляется по формуле

𝑊0ср = ∑ 𝑊0

𝑛
,
(1.5)

где n – количество экспериментальных данных.

Средние значения относительной влажности грунта, в соответ
ствии с [27], назначают в зависимости от дорожно-климатической 
зоны, подзоны, типа местности по условиям увлажнения, вида грунта. 
Проведенный анализ нормативных документов и наших исследований в этой области показал, что средние значения влажности и коэффициент вариации относительной влажности по [27] отличается от региональных значений по Республике Марий Эл. Определение региональных значений средней влажности грунтов и коэффициента вариации влажности для РМЭ позволит внести уточнения при вычислении 
расчетной влажности глинистых грунтов. Решение этой проблемы 
даст возможность точнее установить расчетные характеристики грунтов, такие как модуль упругости, сцепление, угол внутреннего трения, 
объективно оценить напряженно-деформированное состояние грунта 
земляного полотна автомобильной дороги от подвижной нагрузки.

Результаты исследования расчетной влажности, коэффициента 

вариации и механических характеристик глинистых грунтов [23] в 
районах Республики Марий Эл для проектирования дорожных одежд 
рассмотрим в последующих главах.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ 

ИССЛЕДОВАНИЙ ХАРАКТЕРИСТИК ГРУНТОВ 

В РАЙОНАХ РЕСПУБЛИКИ МАРИЙ ЭЛ

Изучение состояния глинистых грунтов в естественных усло
виях, изменение средней влажности грунтов по глубине опробования 
проводились путем геологических изысканий, проведённых при проектировании дорог в 8 районах РМЭ институтом «Агропроект» («Марийсксельхозпоект»). Рассмотрено строение грунтов на автодорогах 
протяжённостью 134,7 км с бурением 551 скважины [23]. 

Геологический разрез по оси трассы во всех районах представлен 

суглинками четвертичного возраста и глинами пермского возраста. 
Прослойки мелких, средних и пылеватых песков встречаются на глубинах: в Сернурском районе –3-7 м, в Советском – 3-9 м, в Мари-Турекском – 1,5-3 м, в Новоторъяльском – 1,5-4,5 м, в Моркинском районе – 0,5-1,8 м. 

Геологический разрез по оси трассы в Юринском и Килемарском 

районах представлен песками средней, мелкой крупности и глинистыми грунтами. Супеси встречаются редко.

Состояние грунтов, их характеристики были рассмотрены при 

разном рельефе местности, прохождения автомобильной дороги, а 
именно: на пашне, в лесном массиве, населенном пункте.  

При геологических изысканиях автомобильных дорог в соответ
ствии с пикетом прохождения трассы, наличия скважины, типа местности: пашня, лес, населенный пункт, а также типа местности по условиям увлажнения были определены следующие показатели грунтов:
интервал опробования скважины, м; влажность природная, %; влажность на границе текучести, %; влажность на границе раскатывания, 
%; число пластичности; показатель текучести; плотность грунта природной влажности, т/м3; плотность сухого грунта, т/м3; истинная 
плотность, г/см3; пористость, %; коэффициент пористости; степень 
влажности; номенклатура грунтов.

Таблица 2.1

Распространённость грунтов в Мари-Турекском районе Республики Марий Эл

Индекс

Назва
ние 

дороги

Пикет

Местность

Тип мест. по усл. увлажн.

Скважина

Интервал опробования

Влажность, %

Число пластичности, %

Показатель текучести

Плотность, т/м3

Пористость, %

Коэфф. пористости

Степень влажности

Номенклатура
грунта 

по

ГОСТ

25100-82

Расч. влажн. грунта

Модуль упругости, МПа

Угол внутр. трения, град.

Сцепление, МПа

Гр.грунта по степени пуч.

природная

граница текучести

граница раскатывания

грунта природ.влажности

сухого грунта

истинная плотность грунта

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24

1
Автодо
рога 
ОПХ 
им.Мосолова

2100 пашня
1
с-1
1,51,7

20,30 30,30 13,80 16,50 0,39 1,87 1,55 2,71 42,80 0,75 0,73 Суглинок 

тугопл.

0,74 35,00 16,00 0,016 III

Длина 
дороги 
4.78 км

2,83,0

19,1 29,80 15,20 14,60 0,27 1,86 1,56 2,71 42,44 0,74 0,70 Суглинок 

тугопл.

0,71
40
17 0,018 III

2500
1
с-24 0,6
20,9 45,50 20,10 25,40 0,03
Глина полутверд.

0,51 104
31 0,043 III

Территория 
складов

отв400пашня
1
с-121 0,7
0,8

17 36,00 17,00 19,00 0,00 1,86 1,59 2,74 41,97 0,72 0,64 Глина по
лутверд.

0,52 101
30 0,041 III

1,41,5

9
1,69 1,55 2,66 41,73 0,71 0,33
Песок 
мелкий

100
38 0,005
II

3
Песок 

ср.крупн.

120
40 0,005
I

4,5
Песок 

ср.крупн.

120
40 0,005
I