CC BY
13
УДК 624.137.2.011.78
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ШТАМПА НА АРМИРОВАННОМ ГРУНТОВОМ ОТКОСЕ
© 2013 г. П.В. Дыба, С.А. Павлющик, Н.М. Бондаренко
Дыба Петр Владимирович - аспирант, кафедра «Промышленное, гражданское строительство, геотехника и фунда-ментостроение», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: komdir@mail.ru
Павлющик Сергей Александрович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Промышленное, гражданское строительство, геотехника и фундаментостроение», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: serg_nov_2008@mail.ru
Бондаренко Наталия Михайловна - магистрант, кафедра «Промышленное, гражданское строительство, геотехника и фундаментостроение», Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). E-mail: NatBony@mail.ru
Dyba Peter Vladimirovich - post-graduate student, department «Dustrial and Civil Construction, Geotechnical and Foundation», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: komdir@mail.ru
Pavlyushchik Sergey Alexandrovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Dustrial and Civil Construction, Geotechnical and Foundation», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: serg_nov_2008@mail.ru
Bondarenko Nataliya Mikhaylovna - undergraduate, department «Dustrial and Civil Construction, Geotechnical and Foundation», South-Russia State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). E-mail: NatBony@ mail.ru
Описаны экспериментальные исследования работы штампа на песчаном откосе с углом в 30 град, армированном полиэтиленовой пленкой в условиях плоской деформации. Выполнен сравнительный анализ полученных результатов с исследованиями неармированных откосов.
Ключевые слова: экспериментальные исследования; песчаный армированный откос; плоская деформация; несущая способность основания.
The article describes experimental studies of the stamp operation on a 30 degree slope, reinforced with plastic sheeting in a plane strain. The obtained results are compared to the results from studies of unreinforced slopes.
Keywords: experimental studies; reinforced sandy slope; plane strain; base bearing capacity.
Геосинтетические материалы (геосинтетики, геоматериалы) - это материалы, используемые в контакте с грунтом или другими строительными материалами, в которых как минимум одна из составляющих частей изготовлена из полимеров. В мировой практике геосинтетики применяются уже более 40 лет, с того самого момента, когда французский инженер А. Ви-даль изобрел армогрунтовые конструкции с применением геоматериалов, и был официально признан новый вид строительного материала - армированный грунт. Армирующие элементы создают дополнительные связи между частицами грунта, вследствие этого армогрунты могут воспринимать растягивающие напряжения. Армирующие прослойки, работая совместно с грунтом, вызывают также перераспределение напряжений между участками массива, обеспечивая передачу напряжений с перегруженных зон и вовлекая в работу недогруженные [1].
В качестве армирующего материала песчаного откоса в исследованиях использовалась полиэтиленовая пленка, изготовленная из полиэтилена высокого давления марки Н [2]. Выбор материала обусловлен тем, что в состав практически всех геоматериалов входят полимеры разных классов и полученные разными способами. Так, содержание полипропиленовых и
полиэфирных нитей в тканом геотекстиле марки Текспол™ [3] составляет до 98 %.
Испытания полиэтиленовой пленки (аналога геоматериала) проводились согласно [4]. Для испытания применялись образцы прямоугольной формы шириной 25 мм, длиной 150 мм, толщиной 0,02 мм. Так как данная полиэтиленовая пленка относится к изотропным материалам, то для проведения испытания было использовано пять образцов, вырезанных в одном направлении. В качестве зажимных устройств, обеспечивающих надежное крепление данных образцов и совпадение продольной оси образцов с направлением растяжения, использовались зажимы испытательной машины Шоппера, удовлетворяющие требованиям ГОСТа [4].
Нагружение выполнялось при помощи гирь компрессионного прибора. Шаг приложения нагрузки был равен 1,96-103 кПа. Нагружение осуществлялось ступенчато до полной стабилизации деформаций образцов полиэтиленовой пленки. Ступеней нагру-жения было от 7 до 8. Время выдержки между ступенями 30 мин. На каждой ступени нагружения измерялись нагрузка и удлинение образца. На начальных этапах нагружения удлинение образцов полиэтиленовой пленки фиксировалось при помощи индикатора часового типа [5], а на последнем этапе
нагружения - при помощи металлической линейки [6]. На первых этапах нагружения деформации образцов были незначительны, зависимость между прикладываемой нагрузкой и удлинением была линейной. При приближении к максимальной растягивающей нагрузке деформации образцов резко увеличивались. Среднее значение прочности при разрыве образцов -15,94-Ш3 кПа. Среднее значение условного предела текучести - 13,98403 кПа. Среднее значение относительного удлинения образцов при разрыве - 280 %. График зависимости между удлинением образца полиэтиленовой пленки и растягивающей нагрузкой, полученный в результате выполнения опыта № 2, представлен на рис. 1. Общий вид испытательной конструкции изображен на рис. 2.
I 6
4 --
2
О --
О 50 100 150 200 250 300
Удлинение, мм
Рис. 1. График зависимости удлинения образца от растягивающей нагрузки
Рис. 2. Испытание образца полиэтиленовой пленки на растяжение: 1 - зажим; 2 - образец пленки; 3 - нагрузочное устройство; 4 - грузы; 5 - индикатор часового типа; 6 - линейка; 7 - вертикальный стержень
Для оценки работы песчаных оснований в условиях плоской деформации на кафедре ПГСГиФ
ЮРГТУ (НПИ) сконструирован испытательный стенд [7]. Он был доработан авторами статьи во время изучения работы штампа на армированном откосе. Испытательный стенд состоит из лотка 1 (рис. 3), выполненного из органического стекла толщиной 30 мм. Рабочая часть лотка с размерами 0,8^0,1x0,6 м (¿хВхН) заполняется песком со следующими характеристиками: состав - среднезерни-стый воздушно-сухой песок плотного сложения; плотность грунта р = 17,5 кН/м3; плотность частиц грунта р^ = 26,6 кН/м3; пористость е = 0,530; естественная влажность W = 0,16 - 0,22; сцепление с = 0 кПа; угол внутреннего трения ф = 43о.
Стол основания 8 и силовая рама 7 выставлены по уровню. Экспериментальный стенд прикреплен к столу основания при помощи болтов. Нагрузка на штамп 1 (рис. 4) передается через шток №1 2, шток №2 4 и шарнирно закрепленную между ними муфту 3. Шарнир выполнен при помощи втулок 6. Известно, что критическая нагрузка в задачах об устойчивости зависит от способа приложения нагрузки.
Шарнирное соединение штоков и муфты выполнено для приближения экспериментальных исследований к реальным условиям поведения фундаментов на откосах. В качестве грузов были использованы гири компрессионного прибора, которые укладывались на удерживающую раму 8 при помощи направляющих 9. Для фиксации штампа в горизонтальном направлении предусмотрена контр-гайка 5. Чтобы зафиксировать нагрузочное устройство на раме, использовался стопорный болт 7. Лоток устанавливается непосредственно под силовой рамой 7 (рис. 3) на стол основания 8. Рабочий уровень лотка и силовой рамы 7 устанавливаются независимо.
Рис. 3. Испытательный стенд плоской деформации: 1 - лоток; 2 - нагрузочное устройство; 3 - траверса; 4 - прогибомер; 5 - грузы; 6 - втулка рамы; 7 - рама; 8 - стол основания
Для регистрации вертикальных перемещений штампа предусмотрен прогибомер типа 6-ПАО 4 (рис. 3). Прогибомер предназначен для определения величин перемещения отдельных точек конструкций при нагружении их статическими нагрузками, цена деления 0,01 мм. Прогибомер 4 крепился на траверсе 3 при помощи струбцины по вертикальной оси симметрии нагрузочного устройства (строго над штампом). Перемещения фиксировались при помощи струны, с одной стороны прикрепляемой к удерживающей раме, с другой - к отвесу, струна под весом отвеса прижималась к ведущему ролику прогибомера. При осадке штампа удерживающая рама перемещалась, изменяя положения ведущего ролика, что отражалось на циферблате прогибомера.
ла 160 мм. Последний слой армировался полосой полиэтилена размером 100*900 мм. Эта полоса при-гружалась грузом массой 900 г на расстоянии 350 мм слева от штампа. После установки нагрузочного устройства и его фиксации на втулке рамы деревянные шаблоны убирались из лотка.
m
Рис. 5. Армирование откоса: 1 - уплотненный неармиро-ванный слой песка; 2 - вертикальный деревянный шаблон; 3, 4, 5 - горизонтальные деревянные шаблоны; 6 - полосы полиэтилена; 7 - ручная трамбовка; 8 - лоток
Общий вид штампа на армированном откосе в начальный момент нагружения и при разрушении основания показан на рис. 6.
Рис. 4. Нагрузочное устройство: 1 - штамп; 2 - шток № 1;
3 - муфта;4 - шток № 2; 5 - контргайка; 6 - втулки; 7 - стопорный болт; 8 - удерживающая рама; 9 - направляющие
для груза
На стенде плоской деформации было выполнено
4 опыта для угла откоса в 30 град. Предельная нагрузка находилась в рамках следующих значений: 396 -444 кПа. Для всех опытов штамп устанавливался на бровку откоса. Подготовка к испытаниям производилась согласно рис. 5.
Песок в лоток укладывался послойно в воздушно-сухом состоянии с уплотнением до значения 17,5 кН/м3 ручной трамбовкой и контролем плотности при помощи иглы-«плотномера» [8].
Толщина уплотняемого слоя - 20 мм. Первые два слоя песка не армировались. Затем на них устанавливались деревянные шаблоны 2 и 3, укладывалась полоса полиэтилена размерами 100*500 мм 6. Часть полосы со стороны шаблонов отгибалась в обратную сторону. Затем происходила засыпка песка и его уплотнение до верхнего уровня шаблона 3, а отогнутая ранее часть полосы полиэтилена укладывалась поверх уплотненного слоя песка. Аналогично армировались и остальные слои откоса. Общая высота откоса состави-
а б
Рис. 6. Общий вид штампа на откосе: а - начальный момент нагружения; б - разрушение армированного основания
При проведении испытаний нагружение выполнялось при помощи гирь компрессионного прибора. Нагрузка прикладывалась с шагом 12 кПа. Нагруже-ние осуществлялось ступенчато до полной стабилизации осадки песчаного армированного основания на каждом шаге нагрузки. Ступеней нагружения было от 33 до 37. Время выдержки между ступенями - от 5 до 10 мин. При приближении нагрузки к предельной период стабилизации деформаций возрастал. При достижении предельного давления происходило возрастание деформации основания.
На первых этапах нагружения 0,1 Рред - 0,15 Рдред происходило уплотнение грунта. В интервале нагрузки от 0,1 Рпред - 0,15 Рпред до 0,5 Рпред штамп перемещался строго вертикально.
8
9
Откос, с углом в 30 град Предельная нагрузка, кПа Среднее значение предельной нагрузки, кПа Среднее значение осадки штампа для предпоследней ступени опытов, мм
Номер опыта
1 2 3 4
Неармированный 88 82 94 106 93 2,1
Армированный 424 400 440 424 422 8,425
При значении нагрузки 0,5 Рпред - 0,6 Рпред штамп ротировался против часовой стрелки вплоть до предельной нагрузки.
Отметим, что при достижении критической нагрузки потеря устойчивости происходила мгновенно. Армирующая полиэтиленовая полоса деформировалась, но не разрушалась. Сползание грунта не наблюдалось.
График зависимости нагрузки от осадки штампа, полученный в результате выполнения опыта № 4, приведен на рис. 7. Откос, армированный полиэтиленовой пленкой, изображен на рис. 8.
0 50 100 150 200 250 300 350 Р, кПа
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
S, мм
Рис. 7. График зависимости нагрузки от осадки штампа, полученный на стенде плоской деформации для армированного откоса
Сравнение экспериментальных значений несущей способности армированного откоса с экспериментальными значениями несущей способности неарми-рованного откоса приведено в таблице.
Вывод: несущая способность песчаного основания повышается более чем в 4,5 раза за счет армирования откоса. Однако следует отметить, что при этом увеличивается среднее значение осадки штампа в 4 раза.
Рис. 8. Откос, армированный полиэтиленовой пленкой
Литература
1. Мельников А.В. Исследование прочности и деформируе-
мости слабых грунтов оснований, усиленных армированием: дис. ... магистра техники и технологии строительства. Пенза, 2012. 216 с.
2. ГОСТ 10354-82. Пленка полиэтиленовая. Технические условия.
3. ТУ 8397-001-68781351-2011.
4. ГОСТ 14236-81. Пленки полимерные. Метод испытания на растяжение.
5. ГОСТ 577-68. Индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм.
6. ГОСТ 427-75. Линейки измерительные металлические.
7. Шматков В.В. Деформации оснований сплошных плитных фундаментов в нелинейной стадии работы: дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 1985. 225 с.
8. Аринина Э. В. Экспериментальные исследования напря-
женно-деформированного состояния песчаного основания при осесимметричном нагружении: дис. ... канд. техн. наук. Новочеркасск, 1972. 149 с.
9. Павлющик С.А. Оценка несущей способности нагруженных откосов и склонов методами предельного анализа пластических систем: дис. ... канд.техн.наук. Новочеркасск, 2011. 136 с.
Поступила в редакцию 1 апреля 2013 г.
