CC BY
57
БУД1ВНИЦТВО, РЕКОНСТРУКЦ1Я ТА ЕКСПЛУАТАЦ1Я КОНСТРУКЦ1Й I СПОРУД
ЗАЛ1ЗНИЧНОГО ТРАНСПОРТУ
УДК 625.725
ОСЯеВ Ю.М., к.т.н., доц. (НТУ),
ШИЛИ 1.В., к.т.н., доц. (АД1 ДВНЗ «ДЦТУ»),
БУРИХ А.М., студентка (АД1 ДВНЗ «ДНТУ»).
Основи забезпечення стiйкостi yKociB насип1в армованих геосинтетичними матерiалами.
Актуальн1сть
Земляне полотно автомобшьно'1 дороги переважно представлене насипом. Але зважа-ючи на умови розташування насипу автомобь льно'1 дороги, як лшшно'1 шженерно'1 споруди, не завжди основа мае достатню мiцнiсть та надшшсть на протязi термiну експлуатацп. Також слщ зауважити на збiльшення рухомого навантаження на покриття автомобiльних до-рiг. У зв'язку з чим завжди е ризик у розраху-нках не врахувати деяю чинники, або навпаки, що значно вплине на ресурсозбереження (при виконанш аваршних дорожньо-ремонтних ро-бiт) чи матерiалозбереження (при улаштуваннi насипу та проведенш аварiйних дорожньо-ремонтних робiт). Таким чином забезпечення стшкосп укосу насипу та загально'1 стiйкостi насипу в цшому е актуальною задачею.
Анал1з публ1кац1й.
Питанням забезпечення стiйкостi укоав насипу автомобiльноi дороги займалися бага-то фахiвцiв, в тому чист Полуновський А.Г., Пудов Ю.В.,Федорук А.В., Ковальський Р.К., Заворицький В.Й., Савенко В.Я., Петрович В.В та шшь KpiM того багато пропозицш запропоновано закордонними фахiвцями. За-галом фахiвцi пропонують забезпечувати стiйкiсть укоав за рахунок армування насипу. Але аналiз публiкацiй виявив залежнiсть роз-рахункових методик вiд конкретних умов та використаних матерiалiв.
Також важливе значення мае те, що ме-тоди розрахунку, як запропонованi закордонними фахiвцями (наприклад з Англп, Ггалп, Имеччини тощо) в нашiй крш'ш не можуть бути застосованi. Це пов'язано з розбiжностя-ми у методах розрахунюв та експерименталь-них випробувань.
Таким чином виникае потреба у узагаль-неннi та адоптацп окремих особливостей рiз-них розрахункових методик з метою отриман-ня едино'1 розрахунково'1 моделi системи «на-сип - армуючий прошарок - основа».
Основний матер1ал
В розрахунках основи грунтового насипу автомобшьних дор^ найбiльш поширеними моделями е: модель Вшклера спрощена; модель Вшклера розширена; модель Пастернака. Це дозволяе врахувати рiзноманiтнi умови експлуатацп автомобшьно'1 дороги. Але слiд зауважити, що загальш деформацп земляного полотна 0 в тому чи^ стiйкiсть укоав) не завжди пов'язанi iз слабкою основою. Це дозволяе припустити що застосування засобiв пiдвищення стшкосп укосiв насипу важливо не тшьки при наявностi слабко'1 основи, а i при високих насипах, особливо за умов збшьшен-ня крутизни укоав з метою зменшення площi пiдошви насипу та економп дорожньо-будiвельних матерiалiв.
Робота армуючих прошарюв у грунтi за-лежить вщ виду грунту, типу армуючого ма-терiалу, форми споруди. Геотекстильнi про-шарки у високих насипах виконують армуючу
функцiю. Вони використовуються для поперечного армування насипу з метою тдвищити загальну стшюсть 11 укосiв (рисунок 1). Ар-муюча функцiя обумовлена здатшстю геотекстильного прошарку полiпшувати умови робота грунту на зрушення завдяки сприйняттю
нею зусиль, що розтягують, тертю прошарку об грунт i змiни напруженого стану в грунтовому масивi.
Рисунок 1. - Розрахункова схема в загальному виглядi
Прошарок сприймае зусилля, що розтягують. Необхщною умовою успiшного вико-нання ще! задачi е забезпечення закладення прошарку, тобто защемлення його в грунтi. Питання про надшшсть закладення прошарку, величини зони, у межах яко1 можливе подов-ження i проковзування геотекстилю, е одним з основних у випадку використання геотексти-льних прошаркiв у конструкщях армованих укосiв. З шшо'1 сторони при проектуванш технологи зведення високих наситв, армованих геотекстилем, важливе питання товщини гру-нтових шарiв, що вiдсипаються, тому що характер деформування прошарку в грунт зале-жить вiд багатьох факторiв, у тому числi i вщ вертикального навантаження, частина яко1 складае власна вага грунтових шарiв.
У вiдповiднiй зонi грунту кожен посиле-ний шар повинний сприйняти вщповщш гори-зонтальнi напруження, викликаш тиском не посиленого грунту, що знаходиться поза зоною посилення.
Втрати мщносп армовано! дорожньо! конструкцп внаслiдок порушення зчеплення геосинтетичного прошарку з грунтом насипу складнiше спрогнозувати i попередити, чим порушення стшкосп спорудження внаслщок недостатньо! мiцностi армуючого геоматерiа-лу. Стшюсть споруд порушуеться пiд впливом дотичних напружень. При щй умов^ дотичнi напруження, що виникають тд навантажен-ням потрiбно розглядати як несприятливий
фактор, який при проектуванш наситв, необ-хщно враховувати у вах випадках.
Зовсiм в шшому напрямку впливають на грунт стискаючi нормальнi навантаження. Пiд '1хшм тиском грунт ущшьнюеться, частки бiльш штенсивно притискаються друг до друга, тдвищуючи дiючi мiж ними сили тертя. У кiнцевому рахунку мщшсть грунту, його здат-нiсть чинити отр напруженням, що зрушу-ють, збiльшуеться, що в загальному випадку тдвищуе несучу здатнiсть i стшюсть споруди. З зазначено! точки зору нормальш напруження варто розглядати як сприятливий фактор.
Для однорщного грунту юнуе граничний кут схилу Рит, при якому може бути благополучно побудований схил без посилення. У цьому випадку для незв'язних сухих грушив граничний кут схилу дорiвнюе куту внутрш-нього тертя грунту:
рИт = ф, (1)
де ф - кут внутршнього тертя грунту насипу, град.
Схил з кутом бшьше, шж граничний це крутий схил. При будiвництвi насипiв iз крутим схилом необхщно передбачити деяю до-датковi заходи, щоб забезпечити стшкють.
Найпростiший метод забезпечення стшкосп укосiв насипу - горизонтально розмюти-ти кiлька посилюючих прошарюв у схилi, так щоб елементи посилення могли сприйняти го-
ризонтальнi зусилля, у такий споаб збшьшу-ючи припустимi зусилля зрушення. Цi зусилля, що дiють у горизонтальному напрямку (у напрямку посилення), повинш бути компен-сованi для забезпечення рiвноваги.
Загальна сила Т виражена наступним рь внянням:
Т = / . К . у . Н2, (2)
де Н - висота схилу насипу, (м);
у - питома вага грунту, (кН/м3);
К - е^валент коефiцiента тиску грунту, залежить вщ кута схилу Р, фiзико-механiчних властивостей грунту с i ф, i коефiцiента поро-вого тиску ги = и/(у . 2).
Для випадку вертикального укосу коефь цiент К дорiвнюе коефiцiенту активного тиску грунту Ка, якщо Р знаходиться в межах вiд ф до 90 , то К приймае значення вщ 0 до Ка.
Додатковi сили вимагаються, щоб забез-печити рiвновагу крутого схилу з вщповщним коефiцiентом надiйностi. Що стосуеться мож-ливих схем процесу зрушення, то вони мо-жуть бути визначеш аналiзом гранично'1 рiв-новаги. Суть аналiзу - прогноз можливо'1 по-верхнi обвалення i порiвняння дiючого зусилля зрушення й опору зусиллю у грунтi, що зрушуе.
Коефщент надiйностi пiдрахований як вщношення мiж максимальним значенням опору зрушенню грунту в момент перед обва-ленням (умови гранично'1 рiвноваги) i д^чо'1 фактичною силою зрушення, що виникае при передбачуванш поверхнi ковзання.
Розширений пошук дозволяе знайти по-верхню, що мае максимальний коефщент на-дiйностi, який повинен бути порiвняний з не-обхiдним.
З урахуванням визначених таким чином залежностей рiшення задачi оптимiзацiйного розрахунку армованих укосiв виконуеться з орiентацiею на характеристики конкретного матерiалу, який передбачаеться застосовувати в якост армуючого матерiалу. В загальному випадку за обраним матерiалом приймаються необхщш кiлькiснi оцiнки наступних характеристик: навантаження розриву, т/м; розривне
подовження, %; товщина, м; модуль деформа-цп, т/м2; коефiцiент Пуассона.
Шари посилення розрахованi вiдповiдно прийнятим до розрахунку зусиллям зсуву. Це можливо тсля визначення результуючо'1 сили максимальних дшчих сил у кожнiм шарi, що залежить вщ зв'язку сил елемента посилення i грунту, вiд властивостей посилюючого елемента, вщ деформацш подовження з урахуван-ням функщонального призначення.
У нашому випадку тип посилення визна-чений - армуючи прошарки. Мета - визначити необхiдну кшьюсть посилюючих шарiв, роз-подiлити 1'х таким чином, щоб у кожнiй крапцi шару припустима сила була бшьше, нiж необ-хiдна, iз заданим коефiцiентом надiйностi.
Загальна необхщна горизонтальна сила, що пiдтримуе рiвновагу в кожному окремому випадку при потенцшному механiзмi ковзання, може бути пщрахована шляхом додатка подiбних зовнiшнiх сил до схилу i розгляду схилу в граничнiй рiвновазi, допускаючи, що частина зусиль зрушення сприйметься грунтом насипу автомобшьно! дороги. Це дае змо-гу зменшити армування насипу або викорис-товувати армуючий матерiал меншо! мщносп за рахунок 1'х сумiсноi роботи.
За прийнятою величиною навантаження розриву (або навантаження, при якому досяга-еться припустимий рiвень подовження матерь алу) умова розташування шарiв армую чого матерiалу у грунтовому масиву визначаеться як 0,75Р, причому 0,75 - коефщент, який ре-гулюе рiвень використання мiцностi армуючого матерiалу. В залежностi вiд значень характеристики матерiалу (величини подовження при рiзних навантаженнях тощо) значення ко-регую чого коефiцiенту може бути шшим
Для розрахунку армованих укоав земляного полотна автомобшьно! дороги викорис-товуються методи та методики мехашки грун-тiв. Зараз збер^аеться тенденцiя розвитку чи-сельних методiв розрахунку, якi використо-вують моделi деформування та мiцностi грун-тiв для використання геотекстилю. Особливе мюце в розрахунках займае можливють розгляду масиву грунту iз декiлькома розташова-ними армуючими елементами з позицп меха-
нiки композицшних матерiалiв як анiзотропне середовище.
Згiдно нормативних документiв, розра-хунок насипу земляного полотна автомобшь-но1 дороги виконуеться за першим припусти-мим станом, який дозволяе визначити мщшсть армуючих елемешив та конструктивне ршен-ня пщ геотекстиль.
Особливе значення мае можливють вра-хування поступового навантаження за рахунок пошарово! вiдсипки насипу. З метою не мож-ливостi виникнення неприпустимих деформа-цiй та забезпечення експлуатацшних вимог до шженерно! споруди слщ враховувати будiв-ництво у двi стадп. Перша стадiя мае термш, який дорiвнюе часу консолщацп грунтiв для геограт за рахунок пошарового улаштування споруди. Другий етап - завершальне будiвни-цтво грунтового насипу у вщповщносп до вимог проекту.
Прискорення консолщацп грунпв мож-ливе за умов застосування геосинтетичних дренажних матерiалiв (вертикального та горизонтального дренажу), яю е альтернативою тщаним палям.
Висновки
Аналiз iснуючих публiкацiй та викона-них дослщжень дозволяе стверджувати, що забезпечення стшкосп укосу може бути дося-гнуто за рахунок використання армуючих прошарюв, в тому числi i з геотекстильних матерiалiв. Це можливе за рахунок того, що армуючий прошарок дозволяе розшарувати суцшьний грунтовий масив насипу автомобь льно! дороги та розподшити зсувнi зусилля, що забезпечуе тдвищення стiйкостi укосу i загально! стiйкостi насипу в цшому.
Таким чином, геосентетичний армуючий матерiал, а особливо геограти пщвищено! мь цностi, е перспективним матерiалом для до-рожнього господарства, використання яких дозволить: покращити надiйнiсть та довговiч-нiсть грунтового насипу; пiдвищити техноло-гiчнiсть та якiсь виконання робгг; прискорити виконання земляних робiт у складних гщроге-ологiчних умовах; зменшити обсяги земляних робгг; зменшити нерiвномiрнiсть просадки на-
сипу; покращити однорщшсть матерiалiв земляного полотна; збшьшити обсяги застосуван-ня мiсцевих матерiалiв тощо.
Список л1тератури
1. Джоунс К.Д. Сооружения из армированного грунта / Джоунс К.Д. пер. с англ. В.С. Забавина; под. ред. В.Г. Мельника. - М: Стройиздат, 1989. - 280с.
2. Маслов Н.Н. Механика грунтов в практике строительства (оползни и борьба с ними): учеб. пособие для ВУЗов / Маслов Н.Н. - М: Стройиздат, 1977. - 320с.
3. Цитович Н.А. Механика грунтов / Цито-вич Н.А. - М: Высшая школа, 1973. -280с.
Анотацн:
В робот розглянуто загальш питання забезпечення стшкосп укоав грунтових наситв за рахунок улаштування армуючих прошаршв 1з геотекстильного матер1алу з метою покращення ресурсозбереження та енергозбереження. Для забезпечення загально1 стшкос-п земляного полотна обгрунтовано необхщнють враху-вання м1сцевих умов та технолопчних особливостей спорудження грунтових наситв 1з армуючими прошар-ками.
Зроблено висновок о необхвдносл забезпечення стшкосп укос1в грунтових насип1в за рахунок армуван-ня 1х геотекстильним матер1алом.
В статье рассмотрены вопросы обеспечения стойкости откосов грунтовых насыпей за счет устройства армирующих прослоек с геотекстильного материала с целью улучшения ресурсосбережения и энергосбережения. Для обеспечения общей устойчивости земляного полотна обоснована необходимость учета местных условий и технологических особенностей сооружения земляных насыпей с армирующими прослойками.
Сделано вывод о необходимости обеспечения стойкости откосов грунтовых насыпей за счет армирования их геотекстильными материалами.
In the article questions of firmness maintenance of slopes of soil embankments at the expense of the device of reinforcing layers from a geotextile material for the purpose of increasing of power savings and reduction of requirement for qualitative materials are considered. For maintenance of general stability of an earthen cloth necessity of the account of local conditions and construction technological features of earthen embankments with reinforcing layers is proved.
A conclusion of necessity of firmness maintenance of slopes of soil embankments at the expense of reinforcing by their geotextile materials is made.
