CC BY
147
проектирование и конструирование
строительных систем. проблемы механики в строительстве
удк 692.2:625
П.А. Громов, Р.Т. Емельянов, В.В. Серватинский
СФУ
ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПЛОСКИХ ГЕОРЕШЕТОК С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЖИЛАМИ В КОНСТРУКЦИЯХ АРМОГРУНТОВЫХ АВТОДОРОЖНЫХ НАСЫПЕЙ
Рассмотрены вопросы армирования насыпей высокопрочными геосинтетическими материалами. Предложено использовать в качестве армирующего материала плоскую георешетку с металлическими жилами для сооружения армогрунтовых подпорных стен на автомобильных и железных дорогах. Приведены результаты расчетов величины горизонтальных перемещений лицевой части подпорных стен, полученные в процессе численного моделирования по методу конечных элементов.
Ключевые слова: армированный грунт, геосинтетический материал, металлизированная георешетка, внешняя устойчивость, внутренняя устойчивость, долговременная прочность, осевая жесткость, численное моделирование, метод конечных элементов, напряженно-деформированное состояние
Подпорные стены из армированного грунта характеризуются экономичностью и простотой возведения, причем эффективность их использования возрастает с увеличением высоты. Армогорунтовые стены представляют собой относительно жесткую структуру, что делает их менее чувствительными к осадкам основания. такие подпорные стены лучше компенсируют температурные и усадочные напряжения, отлично справляются с различными видами динамических нагрузок. Применяемые в качестве армирующих материалов георешетки обладают разными показателями ползучести, высокой ползучестью, что для подпорных стен является важным параметром. удлинение при действии статической нагрузки может привести к значительному отклонению лицевой части стены с последующим ее обрушением. При выборе армирующих материалов должно быть учтено требование стандарта великобритании BS 8006 об использовании в армоконструкциях геосинтетических материалов, не допускающее в период эксплуатации их деформаций ползучести, превосходящих по величине 1 % для боковых стенок в армонасыпи и 0,5 % для торцевых стенок на подходах к мостам (например, устои с раздельными функциями). в качестве армирующего материала предлагается использовать плоскую металлизированную георешетку, обладающую высокой осевой жесткостью за счет наличия металлических жил внутри полимерных полос.
цель работы заключается в усовершенствовании конструктивно-технологических решений подпорных стен из армированного грунта путем применения в качестве армирующего элемента плоской георешетки с металлическими жилами.
ВЕСТНИК
6/2016
Условия и методы исследования. Объектом исследований принята армо-грунтовая насыпь с активной облицовочной системой высотой 9,3 м с модульными бетонными стеновыми блоками высотой 0,3 м (рис. 1).
Рис. 1. Армогрунтовая система: 1 — облицовочный блок (440 х 300 х 300); 2 — плоская георешетка с долговременной прочностью 50 кН/м; 3 — плоская георешетка с долговременной прочностью 33 кН/м; 4 — силовая обойма из георешетки (щебеночная подушка); 5 — дорожная одежда
Подбор параметров геоармировки исходя из условий устойчивости конструкции. Для обеспечения общей устойчивости конструкции щебеночная подушка должна быть армирована замкнутой силовой обоймой из плоской георешетки, под облицовочными блоками предусмотрен железобетонный ленточный фундамент.
Параметры армирования (длина заделки в грунт и прочность армомате-риалов) определены из условий внешней и внутренней устойчивости в соответствии с расчетной схемой (рис. 2). Расчеты выполнены в программе GEO 5 — модуль «Армированные насыпи». Толщина слоев соответствует высоте блока (300 мм).
Анализ внешней устойчивости включает в себя:
• проверку на опрокидывание;
• проверку на сдвиг;
• анализ несущей способности грунта основания;
• проверку на перемещение по круглоцилиндрической (или полигональной) поверхности скольжения.
Анализ внутренней устойчивости для каждого слоя геоармировки состоит из следующих этапов:
• проверки смещения грунта по геоармировке;
• проверки геоармировки на разрыв;
• проверки геоармировки на выдергивание.
При расчете устойчивости конструкции насыпи в соответствии с п. 5.2.2 гоСт 52748—2007 расчетная нормативная нагрузка от транспортных средств, осуществляющих перевозки тяжеловесных грузов (нк) приводится к формированию эквивалентного слоя грунта земляного полотна: Н = 4 '18К
э (а+0,2)(с+0,8) у,'
где й — база для нормативной нагрузки от автомобилей (Ак), м; с — ширина колеи нагрузки, м; К — класс нагрузки для нормативной нагрузки нк. тогда для нормативной нагрузки нк80:
4-18-14
Нэ =--—---= 4,59 м.
э (3,6+0,2)-(2,7+0,8)-16,5
Соответственно, удельное давление на поверхности насыпи:
Чвр = НэУтр = 4,59-16,5 = 76 кН/м2.
Постоянная распределенная нагрузка от веса дорожной одежды принята равной
дпост = 24 кН/м2.
рис. 2. Схема армирования подпорной стены
ВЕСТНИК
6/2016
Табл. 1. Параметры армирования
Номер блока Длина георешетки, м Долговременная прочность, кН/м
1—12 5,0 Не менее 50,0
13—20 6,0 Не менее 50,0
21—27 6,0 Не менее 33,0
28, 29 7,0 Не менее 33,0
30 8,0 Не менее 33,0
31 9,0 Не менее 33,0
Расчет напряженно-деформированного состояния армогрунтовой подпорной стены методом конечных элементов. Для прогноза смещения ар-могрунтовых подпорных стен в горизонтальном направлении применялись численные методы расчета. Горизонтальные деформации армогрунтовой конструкции рассчитывались с использованием комплекса конечно-элементного моделирования ОБО 5 — модуль МКЭ. Для исследования были выполнены расчетные сравнительные оценки влияния на горизонтальные перемещения стены деформативных и прочностных характеристик геосинтетиков, используемых для армирования насыпи. В программном комплексе ОБО 5 геосинтетические армирующие материалы представлены в виде специального элемента — «арматуры» (термин программы ОБО 5). Арматура представляет собой узкий объект с нормальной жесткостью, но без жесткости на изгиб. Расчетными свойствами арматуры является постоянная нормальная осевая жесткость ЕА [5].
Осевая жесткость определяется отношением приращения силы, приложенной к материалу, к перемещению, произошедшему под воздействием этой силы.
ЕА = "
М/ //
где ^ — растягивающая сила, приложенная к образцу; А/ — приращение длины образца вследствие воздействия растягивающей силы; / — начальная длина образца.
определить осевую жесткость можно с помощью графиков зависимости относительного удлинения геосинтетического материала под нагрузкой. Такие графики строятся для каждой марки геоматериала по результатам испытаний. Для геосинтетических материалов эта зависимость имеет ярко выраженный нелинейный характер. Однако на первоначальном отрезке практически для всех материалов эта зависимость близка к линейной. Учитывая, что зона максимальных рабочих усилий в рассматриваемом нами случае (срок службы 120 лет) составляет порядка 25.. .40 % от нормативной прочности, осевую жесткость в расчетах можно принять постоянной по величине (для каждой конкретной марки георешетки) [2].
Максимальное горизонтальное перемещение для насыпи высотой 9,3 м составило 46 мм (песок с ф = 32°, георешетка из полиолефинов с осевой жесткостью ЕА = 1000 кН).
Как показало моделирование, основная зона реализации горизонтальных перемещений вне зависимости от высоты насыпи, грунта засыпки и применяемого армирующего материала приходится на область, близкую к стенке (расстояние порядка 1...4 м). Например, на рис. 3 показано распределение перемещений для стены выстой 9,3 м. Из рисунка видно, что на расстоянии 3.4 м от стены горизонтальные перемещения уменьшаются в 2 раза.
Рис. 3. Распределение горизонтальных перемещений насыпи по поперечному профилю
Максимальное горизонтальное перемещение для насыпи высотой 9,3 м с применением металлизированной георешетки (с осевой жесткостью ЕА = = 4000 кН) составило 9 мм, это значительно меньше, чем в предыдущем расчете, что доказывает эффективность применения металлизированной георешетки.
Выводы. Расчеты с использованием методов конечных элементов показали, что горизонтальные смещения стенки армонасыпи зависят от характеристик (жесткости) армирующего геосинтетика. Использование в качестве армирующего элемента металлизированной георешетки позволило уменьшить деформации лицевой части за счет низкой ползучести и деформативности материала. Наибольшее значение имеет снижение деформации торцевых стен на подходах к искусственным сооружениям, так как возникающие при этих перемещениях нагрузки передаются непосредственно на опоры.
Библиографический список
1. Методические рекомендации по расчету и проектированию армогрунтовых подпорных стен на автомобильных дорогах : ОДМ 218.2.027—2012. М., 2012. 48 с.
2. Тяпочкин А.В. Совершенствование конструктивно-технологических решений армогрунтовых насыпей с подпорными стенами : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 2011. 23 с.
3. Джоунс К.Д. Сооружения из армированного грунта / пер. с англ. B.C. Забавина ; под ред. В.Г. Мельника. М. : Стройиздат., 1989. 279 с.
4. Recommendations for Design and Analysis of Earth Structures using Geosynthetic Reinforcements—EBGEO. Deutsche Gesellschaftfur Geotechnike.V // German Geotechnical Society (Editor), Alan Johnson (Translater).
5. Пользовательская библиотека. Программный комплекс GE05. Режим доступа: http://www.finesoftware.ru/geotechnical-software.
ВЕСТНИК 6/2016
6. Цернант A.A., Ким А.Ф., Бурибеков Т. Расчет грунтовых сооружений, армированных геотекстилем // Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура. 1987. № 3. С. 126—131.
7. Цернант A.A., Ким B.K. Расчет армирования массивов грунта с применением МКЭ и нелинейной механики грунтов // Современные проблемы нелинейной механики грунтов : тез. докл. Всесоюзн. конф. Челябинск, 1985. С. 170—171.
8. Семендяев Л.И. Методика расчета насыпей, армированных различными материалами М., 2001. 44 с.
9. Семендяев Л.И., Хусаинов И.Ж. Особенности использования плоских геосеток и георешеток в качестве армоэлементов // Наука и техника в дорожной отрасли. 2005. № 3 (34). С. 25—27.
10. Середин А.И. Усиление и стабилизация эксплуатируемых насыпей армогрун-том : дисс. ... канд. техн. наук. М., 1989. 214 с.
11. Соколов А.Д. Исследование предельных состояний армогрунтовых конструкций как оснований устоев диванного типа // Дороги и мосты : сб. науч. тр. ФАУ «Рос-дорНИИ» М., 2006. № 2. С. 200—216.
12. Farrag K., Acar Y.B., Juran I. Pull-out resistance of geogrid reinforcements // Geotextiles and Geomembranes. 1993. No. 12 (2). Pp. 133—160.
13. BS 8006:1995. Code of practice for Strengthened / reinforced soils and other fills. 1995. 196 p.
14. Руководство по проектированию армированных подпорных грунтовых стен, мостовых опор, откосов и насыпей / пер. с англ. Г.Б. Гершмана. М. : Тенсар Интернешнл, 1995. 34 с.
15. Методические указания по применению геосинтетических материалов в дорожном строительстве / под ред. В.П. Носова ; пер. с нем. А. Шубин. М. : МАДИ (ГТУ), 2001. 100 с
16. Пат. 2276230 RU, МПК E02D 17/18, E02D 29/02, E01D 19/02. Дорожная насыпь с подпорной стенкой, способ ее сооружения и железобетонный блок для подпорной стенки / С.Г. Жорняк, Е.Б. Канаев, К.Ю. Чернов, Б.В. Сакун, И.Д. Акимов-Перетц ; Патентообл. ОАО ЦНИИС. № 2004135893/03 ; заявл. 08.12.2004 ; опубл. 10.05.2006. Бюл. № 13
17. Костоусов А.Н. Совершенствование методики расчета армогрунтовых стен для усиления земляного полотна : автореф. дисс. ... канд. техн. наук. М., 2015. 24 с.
18. Бугров А.К. Напряженно-деформированное состояние оснований и земляных
сооружений с областями предельного равновесия грунта : дисс.....д-ра техн. наук.
СПб., 1980. 385 с.
19. Будин А.Я. Тонкие подпорные стенки. Ленинград : Стройиздат, 1974. 191 с.
20. Проектирование подпорных стен и стен подвалов. М. : Стройиздат, 1990. 104 с. (Справочное пособие к СНиП).
Поступила в редакцию в марте 2016 г.
Об авторах: Громов Павел Андреевич — аспирант кафедры автомобильных дорог и городских сооружений, Сибирский федеральный университет (СФУ), 660041, г. Красноярск, пр-т Свободный, д. 82 а, oiuy0987@mail.ru;
Емельянов Рюрик Тимофеевич — доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой автомобильных дорог и городских сооружений, Сибирский федеральный университет (СФУ), 660041, г. Красноярск, пр-т Свободный, д. 82 а, ert-44@ yandex.ru;
Серватинский Вадим Вячеславович — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой автомобильных дорог и городских сооружений, Сибирский федеральный университет (СФУ), 660041, г. Красноярск, пр-т Свободный, д. 82 а, vservatinsky@list.ru.
Для цитирования: Громов П.А., Емельянов Р. Т., Серватинский В.В. Эффективность применения плоских георешеток с металлическими жилами в конструкциях ар-могрунтовых автодорожных насыпей // Вестник МГСУ 2016. № 6. С. 7—14.
P.A. Gromov, R.T. Emel'yanov, V.V. Servatinskiy
EFFICIENCY OF THE USE OF PLAIN GEOGRIDS WITH METAL CORES IN THE STRUCTURES OF REINFORCED GROUND ROAD EMBANKMENTS
The authors considered the issues of reinforcement of embankments by high-strength geosynthetic materials. It is suggested to use flat geogrid with metal cores as a reinforcement material for constructing reinforced ground supporting walls on automobile and railway roads. The results of calculations of the volumes of horizontal displacements of the front parts of supporting walls are offered. They were obtained as a result of numerical modeling using finite element method.
Key words: reinforced ground, geosynthetic material, metalized geogrid, external stability, internal stability, long-term strength, axial stiffness, numerical modeling, finite element method, stress-strain state
References
1. Metodicheskie rekomendatsii po raschetu i proektirovaniyu armogruntovykh pod-pornykh sten na avtomobil'nykh dorogakh : ODM 218.2.027—2012 [Methodological Recommendations on the Calculation and Design of Reinforced Soil Supporting Walls on Automobile Roads]. Moscow, 2012, 48 p. (In Russian)
2. Tyapochkin A.V. Sovershenstvovanie konstruktivno-tekhnologicheskikh resheniy armogruntovykh nasypey s podpornymi stenami : avtoreferat dissertatsii ... kandidata tekh-nicheskikh nauk [Advancing the Construction and Technological Solutions of Reinforced Ground Embankments with Supporting Walls : Abstract of the dissertation of the Candidate of Technical Sciences]. Moscow, 2011, 23 p. (In Russian)
3. Jones C.J.F.P. Earth Reinforcement and Soil Structures. Thomas Telford Publishing, 3rd Revised ed. edition, 1996, 379 p.
4. Recommendations for Design and Analysis of Earth Structures Using Geosynthetic Reinforcements — EBGEO. German Geotechnical Society (Editor), Alan Johnson (Translator). 2011. DOI: http://dx.doi.org/10.1002/9783433600931
5. Pol'zovatel'skaya biblioteka. Programmnyy kompleks GEO5 [User Library. Software Package GEO5]. Available at: http://www.finesoftware.ru/geotechnical-software. (In Russian)
6. Tsernant A.A., Kim A.F., Buribekov T. Raschet gruntovykh sooruzheniy, armirovan-nykh geotekstilem [Calculation of Soil Structures Reinforced by Geofabric]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Stroitel'stvo i arkhitektura [News of Higher Educational Institutions. Construction and Architecture]. 1987, no. 3, pp. 126—131. (In Russian)
7. Tsernant A.A., Kim B.K. Raschet armirovaniya massivov grunta s primeneniem MKE i nelineynoy mekhaniki gruntov [Calculation of Soil Reinforcement Using Finite Element Method and Nonlinear Soil Mechanics]. Sovremennye problemy nelineynoy mekhaniki gruntov : tez-isy dokladov Vsesoyuznoy konferentsii [Contemporary Issues of Nonlinear Soil Mechanics : Abstracts of the All-Union Conference]. Chelyabinsk, 1985, pp. 170—171. (In Russian)
8. Semendyaev L.I. Metodika rascheta nasypey, armirovannykh razlichnymimaterialami [Methods of Calculating Embankments Reinforced with Different Materials]. Moscow, 2001, 44 p. (In Russian)
9. Semendyaev L.I., Khusainov I.Zh. Osobennosti ispol'zovaniya ploskikh geosetok i georeshetok v kachestve armoelementov [Features of the Use of Flat Geonets and Geogrids as Reinforcing Materials]. Nauka i tekhnika v dorozhnoy otrasli [Science and Technology in Road Industry]. 2005, no. 3 (34), pp. 25—27. (In Russian)
10. Seredin A.I. Usilenie i stabilizatsiya ekspluatiruemykh nasypey armogruntom : dis-sertatsiya... kandidata tekhnicheskikh nauk [Reinforcement and Stabilization of Operating Embankments by Reinforced Ground : dissertation of the Candidate of Technical Sciences]. Moscow, 1989, 214 p. (In Russian)
ВЕСТНИК 6/2Q16
11. Sokolov A.D. Issledovanie predel'nykh sostoyaniy armogruntovykh konstruktsiy kak osnovaniy ustoev divannogo tipa [Investigation of Limit States of Reinforced Soil Structures as Piers of Coach Type]. Dorogi i mosty: sbornik nauchnykh trudov FAU «RosdorNII» [Roads and Bridges : Collection of Scientific Works of Federal Autonomous Establishment "RosdorNII"]. Moscow, 2006, no. 2, pp. 200—216. (In Russian)
12. Farrag K., Acar Y.B., Juran I. Pull-Out Resistance of Geogrid Reinforcements. Geotextiles and Geomembranes. 1993, no. 12 (2), pp. 133—159. DOI: http://dx.doi. org/10.1016/0266-1144(93)90003-7.
13. BS 8006:1995. Code of Practice for Strengthened / Reinforced Soils and Other Fills. 1995, 196 p.
14. Rukovodstvo po proektirovaniyu armirovannykh podpornykh gruntovykh sten, mo-stovykh opor, otkosov i nasypey [Design Guidelines for Reinforced Supporting Soil Walls, Bridge Piers, Slopes and Embankments]. Translated from English. Moscow, Tensar Inter-neshnl Publ., 1995, 34 p. (In Russian)
15. Metodicheskie ukazaniya po primeneniyu geosinteticheskikh materialov v dorozhnom stroitel'stve [Methodological Recommendations on the Use of Geosynthetic Materials in Road Construction]. Translated from German. Moscow, MADI (GTU) Publ., 2001, 100 p. (In Russian)
16. Zhornyak S.G., Kanaev E.B., Chernov K.Yu., Sakun B.V., Akimov-Peretts I.D. Patent 2276230 RU, MPK E02D 17/18, E02D 29/02, E01D 19/02. Dorozhnaya nasyp's podpor-noy stenkoy, sposob ee sooruzheniya i zhelezobetonnyy blok dlya podpornoy stenki [Patent 2276230 RU, MPK E02D 17/18, E02D 29/02, E01D 19/02. Road Embankment with a Supporting Wall, Method of Its Construction and Reinforced Concrete Block for the Supporting Wall]. No. 2004135893/03; appl. 08.12.2004 ; publ. 10.05.2006. Patent holder JSC TsNIIS. Bulletin no. 13 (In Russian)
17. Kostousov A.N. Sovershenstvovanie metodiki rascheta armogruntovykh sten dlya usi-leniya zemlyanogo polotna: avtoreferat dissertatsii... kandidata tekhnicheskikh nauk[Advancing the Calculation Method of Reinforced Ground Walls for Strengthening the Earth Work : Abstract of the dissertation of the Candidate of Technical Sciences]. Moscow, 2015, 24 p. (In Russian)
18. Bugrov A.K. Napryazhenno-deformirovannoe sostoyanie osnovaniy i zemlyanykh sooruzheniy s oblastyami predel'nogo ravnovesiya grunta: dissertatsiya ... doktora tekh-nicheskikh nauk [Stress-Strain State of Foundations and Soil Structures with the Areas of Limit Equilibrium of Soil : dissertation of the Doctor of Technical Sciences]. Saint Petersburg, 1980, 385 p. (In Russian)
19. Budin A.Ya. Tonkie podpornye stenki [Thin Supporting Walls]. Leningrad, Stroyizdat Publ., 1974, 191 p. (In Russian)
20. Proektirovanie podpornykh sten i sten podvalov [Design of Supporting Walls and Walls of Basements]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1990, 104 p. (Spravochnoe posobie k SNiP [Reference Book to Sanitary Rules SNiP]). (In Russian)
About the authors: Gromov Pavel Andreevich — postgraduate student, Department of Automobile Roads and City Structures, Siberian Federal University (SibFU), 82a Svo-bodny pr., 660041 Krasnoyarsk, Russian Federation; oiuy0987@mail.ru;
Emel'yanov Ryurik Timofeevich — Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Automobile Roads and City Structures, Siberian Federal University (SibFU), 82a Svobodny pr., 660041 Krasnoyarsk, Russian Federation; ert-44@yandex.ru;
Servatinskiy Vadim Vyacheslavovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, chair, Department of Automobile Roads and City Structures, Siberian Federal University (SibFU), 82a Svobodny pr., 660041 Krasnoyarsk, Russian Federation; ert-44@yandex.ru.
For citation: Gromov P.A., Emel'yanov R.T., Servatinskiy V.V. Effektivnost' primen-eniya ploskikh georeshetok s metallicheskimi zhilami v konstruktsiyakh armogruntovykh avtodorozhnykh nasypey [Efficiency of the Use of Plain Geogrids with Metal Cores in the Structures of Reinforced Ground Road Embankments]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2016, no. 6, pp. 7—14. (In Russian)
