CC BY
12Испытание в зернистых средах конструкций мостовых свай с повышенным боковым трением
сч сч о сч
1С
О Ш
т
X
<
т О X X
Квитко Александр Владимирович
канд. техн. наук, доцент, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, kvitko.67.67@mail.ru
Шендрик Юлия Васильевна
канд. техн. наук, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 9385228@gmail.com
За последнее время на рынке строительных материалов появилось множество различных инновационных материалов, одним из типов таких материалов являются композитные. Важность данных материалов пока что не до конца оценена, но они уже активно используется зарубежными и отечественными производителями.
В статье описаны результаты и методика проведения испытаний мостовых свай с повышенным боковым трением, имеющих композитную боковую поверхность внешним диаметром 100 мм с металлическим наконечником. Перечислены преимущества композитных конструкций свай по сравнению с бетонными и металлическими. Приведены результаты сравнения в графическом виде для двух различных способов закрепления свай в грунте под воздействием вертикальной нагрузки: пустотелой сваи и сваи с технологией цементной анкеровки в грунте для увеличения бокового трения. Сделаны выводы по сравнительным показателям деформативности погруженных конструкций мостовых свай.
Ключевые слова: стеклопластиковая свая, испытания в грунте, композитные материалы, исследование бокового трения сваи.
Введение
За последнее время на рынке строительных материалов появилось множество различных инновационных материалов, одним из типов таких материалов являются композитные. Важность данных материалов пока что не до конца оценена, но они уже активно используется зарубежными и отечественными производителями [1,2].
На данный момент композитные материалы применяются в различных сферах строительства: на объектах жилищно-коммунального хозяйства, в гражданском и промышленном строительстве, а также при строительстве объектов транспортной инфраструктуры [3,4]. Так, в дорожном строительстве композиты применяются в качестве геосинтетических покрытий.
Другое направление обширного применения композитных материалов в транспортном строительстве - это водоотводные системы, которые представлены композитными водоотводными лотками [5]. Преимущества таких лотков заключаются в легкости доставки и монтажа, невосприимчивости к агрессивной среде, долговечности, высокой скорости возведения, антивандальными устройствами.
Для повышения качества и долговечности сооружений транспортной инфраструктуры возникло следующее направление внедрения из композитных материалов. Учитывая, что одним из ведущих параметров обеспечения долговечности железобетонных конструкций является сохранность в них арматуры, замена металлической арматуры на композитные материалы имеет первостепенное значение. В настоящее время разработана и применяется композитная полимерная арматура для армирования несущих и ограждающих конструкций различных сооружений [6,7,8]. В зависимости от применяемых в качестве наполнителей материалов применяют стекло-, базальто- и уг-лепластиковую композитную арматуру.
Преимуществами композитной полимерной арматуры являются стойкость к воздействиям агрессивных сред, диэлектрические и диамагнетические свойства, малая теплопроводность, экологическая безопасность, высокая долговечность, малый вес [9,10,11]. Перечисленные преимущества позволяют эффективно применять композитную арматуру в конструкциях транспортных сооружений (дорог, мостовых конструкциях, основаниях, подземных сооружениях, в наружных ограждающих и несущих конструкциях), причем как в неагрессивных, так и в агрессивных условиях эксплуатации [7]. К недостаткам композитной арматуры следует отнести: низкую величину модуля упругости (в четыре раза меньший у стальной арматуры) [8], малую огнестойкость при воздействии температуры более 200 градусов по Цельсию вплотную к арматурным стержням.
Обширное применение нашел композитный стеклопластик и при изготовлении малых искусственных сооружений на автомобильных дорогах - водопропускных труб [12,13]. Преимущества композитных водопропускных труб, по
сравнению с традиционными инженерными решениями на автомобильных дорогах, заключаются в следующем: меньший вес (легче железобетонных в 10 раз); отсутствие коррозии и необходимости противокоррозионной защиты; высокая стойкость к истиранию; значительное сопротивление к воздействию химически агрессивной среды; легкость и простота монтажа; высокая долговечность [14].
Композитные материалы все шире применяются и в конструкциях перильных ограждений [15]. Данные конструкции удобны в монтаже и имеют меньший вес, чем перила из традиционных материалов, а также эстетические и антивандальные преимущества.
Ежегодно в мире растет количество пешеходных и автодорожных мостов, построенных с использованием композитных материалов [16,17]. В США уже построено более 300 мостовых сооружений, в Голландии - более сорока. Такие мосты сооружены в Китае, Испании, Германии, Канаде и многих других странах [18]. В нашей стране первый пешеходный мост с композитным пролетным строением сооружен в 2004 году, а на сегодняшний день уже построено более сорока пешеходных мостов [19]. Но, к сожалению, в России до настоящего времени нет единого нормативного документа по строительству мостов из композитных материалов.
На данный момент одной из главных причин, сдерживающих применение конструкций из композитных материалов в транспортных сооружениях, является недостаточная изученность их работы при различных условиях нагружения таких конструкций. Композиты имеют уникальные свойства, объединяющие характеристики различных составных материалов. Поэтому поведение конструкций с композитами при различных условиях работы может отличаться от общеизвестных принципов работы известных конструктивных материалов, таких как железобетон.
Как показано на примерах выше, для строительства объектов транспортной инфраструктуры, таких как дорожные и мостовые сооружения, стеклопластик предоставляет большой интерес. На данный момент композитные материалы применяются в мостостроении, главным образом, в качестве вспомогательных элементов (например, композитные шпунтовые ограждения при возведении фундаментов или конструкции перил). Тем не менее, уже сейчас возникла потребность замены не только вспомогательных, но и некоторых конструктивных элементов мостов -выполняемых в настоящее время из стали и бетона - на композитные конструкции [20]. Для опор мостовых сооружений это особенно актуально, поскольку на них воздействуют агрессивные факторы внешней среды: высокая влажность воздуха, агрессивные атмосферные газы, минеральные вещества при использовании антигололедных материалов и т.п. На свайные конструкции мостовых опор помимо перечисленных воздействуют агрессивные вещества, содержащиеся в грунтах. Применение в конструкциях свай стеклопластика, хорошо сопротивляющегося перечисленным негативным воздействиям, представляется весьма перспективным.
Именно поэтому предлагаемый в настоящем исследовании способ повышения бокового трения сваи было решено исследовать на сваях со стеклопластиковой боковой поверхностью.
Методы
Для более глубокого изучения работы композитных конструкций в грунтах было проведено эксперименталь-
ное исследование в лабораторных условиях. Целью эксперимента являлось исследование работы моделей композитных свай в грунте под действием создаваемой домкратом вертикальной нагрузки, создание условий для увеличения бокового трения, а также сравнение величин деформации (осадки) свай с усилением (за счет увеличения бокового трения) и без усиления. Исследование проводилось в два этапа.
Испытуемыми материалами для проведения экспериментов послужили композитные (стеклопластиковые) изделия кольцевого сечения (трубы) длинной 1420 мм, имеющие внешний диаметр 100 мм и толщину стенки 4 мм. К концу композитной трубы прочно приклеивался металлический наконечник диаметром 100 мм. Изготовленные таким образом сваи помещались предварительно очищенную от песка в емкость. После установки сваи в вертикальное положение, емкость полностью засыпалась стандартным полифракционным песком, так что погруженная свая перед проведением опыта не имела начального бокового трения. К верхней части сваи устанавливался металлический оголовок, служащий площадкой для установления домкрата, динамометра, а также устройство для фиксации металлической лески, соединенной с датчиками измерения величины погружения композитной сваи.
В первом опыте испытывалась модель полой композитной сваи, представленной на рисунке 1.
Рис. 1. Оборудование и материалы перед испытанием: а) измеритель деформации (прогибомер Аистова); б) металлическое навершие (оголовок) верхней части сваи; в) емкость с песчаным грунтом; г) погруженная в грунт полая композитная свая перед испытанием.
Во втором опыте в композитной свае проделывались отверстия диаметром 7 мм, распределённые по окруж-
X X
о
го А с.
X
го т
о
2 О
м м
сч сч
0 сч
1П
01
о ш m
X
3
<
m о х
X
ности и высоте сваи в количестве 36 штук. После установление сваи в вертикальное положение и засыпания емкости песком внутренняя полость сваи заливалась цементно-песчаным раствором ЦПС М-150. Смесь разбавлялась в объеме 15 литров: на составление смеси потребовать 25 кг смеси и 7 литров воды, причем потребность использованной смеси оказалась в пропорции 1/4 от произведенной. Залитая смесью композитная перфорированная свая представлена на рисунке 2.
яин
Рис. 2. Перфорированная свая с отверстиями перед испытанием: а) общий вид установки; б) вид сверху сваи с залитой смесью
Результаты
Воздействие нагрузки и снятие показаний деформаций во втором опыте производилось спустя 14 дней, так как требовалось время для набора прочности. Прочность затвердевшей смеси на 14 сутки составила 15,2 МПа. За 14 суток произошло просачивание цементно-песчаного раствора через проделанные отверстия композитной сваи, вследствие чего возникли выступы в ёмкости с песком вдоль сваи и увеличение ее бокового трения. Вертикальная нагрузка от домкрата выполняла погружение композитной сваи в грунт, скорость нагрузки обеспечивалась в 20-60 кг на один шаг. Предельная нагрузка в первом опыте для полой сваи составила 1200 кг, во втором опыте для заполненной сваи она оказалась выше - 1420 кг. Результаты сравнения показателей испытаний приведены в графике на рисунке 3.
Рис. 3. График зависимости деформаций осадки композитных свай от прилагаемой вертикальной нагрузки (сравнение показателей первого и второго опытов)
Выводы и обсуждение
Сравнение показало, что у испытываемой в первой части опыта конструкции пустотелой сваи при равной
нагрузке большие показатели осадки по сравнению с испытываемой во второй части опыта конструкции сваи с отверстиями, заполненной смесью ЦПС М-150. Это свидетельствует о более высоком показателе бокового сопротивления (в среднем на 40%) у заполненной смесью сваи с отверстиями из второго опыта. Вследствие возникшего в результате опыта дополнительного трения от выступов затвердевшей в грунте смеси на боковых стенках перфорированной композитной оболочки уменьшилась деформативность (осадка) конструкции свай, что в итоге приводит к повышению ее несущей способности.
Результаты эксперимента показали следующее:
1) композитные оболочки хорошо работают в условиях нагрузок, которым повергаются действующие мостовые сооружения.
2) композитные сваи технологически эффективнее применяемых ныне металлических;
3) применение композитных свай кольцевого сечения с отверстиями, заполненных бетонной смесью, значительно увеличивает показатель бокового трения свай. Получаемые таким образом конструкции имеют меньшую осадку, что положительно влияет на несущую способность и надежность конструкций мостовых опор.
Следует указать на ряд трудностей, сдерживающих применение композитных изделий в качестве конструктивных элементов:
- отсутствие опыта долгосрочного (более 15-20 лет) содержания таких конструкций;
- недостаток нормативно-технических документов;
- отсутствие методик расчетов таких конструкций;
- трудности при прохождении экспертизы с конструкциями из композитных;
- высокая стоимость композитных изделий;
- сложности, связанные с изготовлением креплений и стендов, которые требуются для выполнения натурных испытаний конструкций свай для опор мостовых сооружений.
Использование предлагаемых конструкций композитных свай для мостовых опор способствует повышению эффективности и надежности конструкций мостовых сооружений.
Литература
1. Кербер, М. Л. Полимерные композиционные материалы: структура, свойства, технология: учеб. пособие для студентов вузов / М. Л. Кербер [и др.].; под общ. ред. акад. А. А. Берлина. - 4-е изд., испр. и доп. - СПб.: Профессия, 2008. - 557 с.: ил.
2. Watson, R. J. Field Condition Surveys of FRP Applications on Bridges / R. J. Watson // Proceedings of the Second International Conference on Durability of Fibre Reinforced Polymer (FRP) Composites for Construction, Montreal, May 29-31. - Sherbrooke: Université de Sherbrooke. - 2002.- P. 597-606.
3. Иванов, А. П. Технология изготовления композитных анкеров для крепления георешетки откосов автомобильных дорог / А. П. Иванов, А. Ю. Колесников, С. В. Арзамасцев // Совершенствование автотранспортных систем и сервисных технологий. Сборник научных трудов по материалам XIV Международной научно-технической конференции, посвященной 95-летнему юбилею доктора технических наук, профессора, заслуженного деятеля науки и техники РФ Авдонькина Фёдора Николаевича (1923-1996). Саратов: СГТУ имени Гагарина Ю.А., 2018. С. 245-249.
4. Лисицын, П. Б. Применение композитных технологий при строительстве автомобильных дорог и других транспортных коммуникаций / П. Б. Лисицын // Механизация строительства. 2004. № 3. С. 57-59.
5. Овчинников, И. Г. Применение полимерных композитных материалов в малонагруженных конструкциях транспортных сооружений / И. Г. Овчинников, Б. Б. Ман-дрик-Котов // Техническое регулирование в транспортном строительстве. 2018. № 1 (27). С. 73-79.
6. Зиннуров, Т.А. Рациональное применение композитной арматуры в бетонных конструкциях транспортных сооружений / Т. А. Зиннуров, Б. Ш. Умаров, А. Р. Вольтер // Новая наука: современное состояние и пути развития. 2015. № 5. С. 150-153.
7. Степанова, В. Ф. Неметаллическая композитная арматура для зданий и дорожно-транспортных сооружений повышенной долговечности / В. Ф. Степанова // Коррозия: материалы, защита. 2011. № 8. С. 18-19.
8. Рубин, О. Д. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния железобетонных конструкций, усиленных предварительно напряженной базальтокомпозитной арматурой / О. Д. Рубин, С. Е. Лисичкин, О. В. Зюзина // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2021. № 3. С. 288-298.
9. Страданченко, С. Г. Пластмассы в строительстве: учеб. пособие / С. Г. Страданченко, А. А. Шубин; Шах-тинский институт ЮРГТУ. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2004. - 196 с.
10. Стругач, А. Г. Архитектура современных пешеходных мостов из фиброармированных композитных материалов / Г. А. Стругач, А. Г. Трифонов // Транспортные сооружения. 2019. №1. С. 1-33. - Режим доступа: https://t-s.today/PDF/17SATS119.pdf.
11. Кузнецов, Д. В. Исследование устойчивости полимерных композитов на основе полипропилена к ультрафиолетовому излучению / Д. В. Кузнецов, И. А. Ильиных, Д. С. Муратов, Н. В. Шатрова, И. Н. Бурмистров // Современные проблемы науки и образования. 2012. № 6. - Режим доступа: http://science-education.ru/ru/article/view?id=7503.
12. Меньшиков, А. М. О применении полимерных водопропускных труб в конструкциях лесовозных дорог / А. М. Меньшиков, М. Ю. Платонов // Инженерные задачи: проблемы и пути решения. Материалы II Всероссийской (национальной) научно-практической конференции. Архангельск. Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, 2021. С. 154-157.
13. Винокуров, А. Г. Водопропускные трубы из полимерных композиционных материалов для арктической зоны / А. Г. Винокуров, В.Е. Гоголев // Сборник материалов всероссийского форума "Транспортные системы и дорожная инфраструктура крайнего севера" и недели студенческой науки автодорожного факультета СВФУ. Якутск. СВФУ, 2018. С. 87-91.
14. Бурмистрова, О. Н. Применение стеклопластико-вых труб на лесных автомобильных дорогах / О.Н. Бурмистрова, В. А. Поварова // Инженерные науки. 2017. №1. С. 11-14.
15. Киселев, А. Д. Актуальность формирования базы композитных материалов и систем для дорожного строительства / А. Д. Киселев, В. А. Падохин, Е. С. Васюткин // Studarctic forum. 2018. № 9. С. 72-83.
16. Potyrala, P. B. Use of fibre-reinforced polymers in bridge construction. State of the art in hybrid and all-composite structures / Р. В. Potyrala; The Polytechnic
University of Catalonia. Barcelona, 2011. - 93 p. - Режим доступа:
https://upcommons.upc.edU/handle/2099.1/12353.
17. Kendall, D. Developments in FRP bridge design / D. Kendall // Reinforced Plastics. 2010. №54 (3). P. 38-42.
18. Кремнева, Л. В. Композитные материалы [Электронный ресурс] / Л. В. Кремнева, Н. Н. Зайцева, С. Д. Галейченко // Борисоглебск, 2018. - 3 c. - Режим доступа: https://nsportal.ru/npo-spo/arkhitektura-i-stroitelstvo/library/2018/03/17/statya-kompozitnye-materialy-01-2018.
19. Козырева, Л. В. Современные материалы пешеходных мостов / Л. В. Козырева, А. П. Сыроев // Техническое регулирование в транспортном строительстве. 2019. № 1 (34). С. 82-85.
20. Иванов, А. Н. Совершенствование конструкции и методики расчета пролетных строений мостов с несущими элементами из композиционных материалов: ав-тореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.23.11 / Иванов Артём Николаевич; ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения». - Новосибирск, 2015. -22 с.
Testing of structures of bridge piles with increased lateral friction,
immersed in sand Kvitko A.V., Shendrik Y. V.
Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering JEL classification: L61, L74, R53
Recently, many different innovative materials have appeared on the building materials market, one of the types of such materials are composite materials. The importance of these materials has not yet been fully appreciated, but they are already actively used by foreign and domestic manufacturers.
It's described the results and methodology for testing bridge piles with increased lateral friction, having a composite side surface with an outer diameter of 100 mm with a metal tip. The advantages of composite pile structures in comparison with concrete and metal ones are listed. It's presented the comparison results in graphical form for two different methods of fixing piles in the ground under the influence of a vertical load: a hollow pile and a pile with cement anchoring technology in the ground to increase lateral friction. Conclusions on the comparative indicators of the deformability of embedded structures of bridge piles are drawn. Keywords: GFRP pile, soil testing, composite materials, testing the lateral
friction of pile. References
1. Kerber, M. L. Polymer composite materials: structure, properties, technology: textbook for university students / М. L. Kerber [and others]. - Saint-Petersburg: Profession, 2008. - 557 p.
2. Watson, R. J. Field Condition Surveys of FRP Applications on Bridges / R.
J. Watson // Proceedings of the Second International Conference on Durability of Fibre Reinforced Polymer (FRP) Composites for Construction, Montreal, May 29-31. - Sherbrooke: Université de Sherbrooke. - 2002.- P. 597-606.
3. Ivanov, A. P. Manufacturing technology of composite anchors for fixing the
geogrid of road slopes / A. P. Ivanov, A. YU. Kolesnikov, S. V. Arzamascev // Improvement of motor transport systems and service technologies. Collection of scientific papers based on the materials of the XIV International Scientific and Technical Conference dedicated to the 95th anniversary of Doctor of Technical Sciences, Professor, Honored Worker of Science and Technology of the Russian Federation Avdonkin Fedor Nikolaevich (1923-1996). Saratov: Yu.A. Gagarin State Technical University, 2018. P. 245-249.
4. Lisicyn, P. B. The use of composite technologies in the construction of
roads and other transport communications / P. B. Lisicyn // Construction mechanization. 2004. № 3. P. 57-59.
5. Ovchinnikov, I. G. The use of polymer composite materials in lightly loaded
structures of transport facilities / I. G. Ovchinnikov, B. B. Mandrik-Kotov // Technical regulation in transport construction. 2018. № 1 (27). P. 7379.
6. Zinnurov, T.A. Rational use of composite reinforcement in concrete
structures of transport facilities / T. A. Zinnurov, B. SH. Umarov, A. R. Vol'ter // New Science: Current State and Ways of Development. 2015. № 5. P. 150-153.
7. Stepanova, V. F. Non-metallic composite reinforcement for buildings and
road transport structures of increased durability / V. F. Stepanova // Corrosion: materials, protection. 2011. № 8. P. 18-19.
X X
о
го А с.
X
го m
о
2 О M
to
8. Rubin, O. D. Experimental studies of the stress-strain state of reinforced
concrete structures reinforced with prestressed basalt-composite reinforcement / O. D. Rubin, S. E. Lisichkin, O. V. Zyuzina // Structural mechanics of engineering structures and structures. 2021. № 3. P. 288298.
9. Stradanchenko, S. G. Plastics in construction: a tutorial / S. G.
Stradanchenko, A. A. Shubin; Shakhty Institute SRSTU. -Novocherkassk: YuRGTU, 2004. - 196 p.
10. Strugach, A. G. Architecture of modern pedestrian bridges made of fiber-
reinforced composite materials / G. A. Strugach, A. G. Trifonov // Transport facilities. 2019. №1. P. 1-33. - Access mode: https://t-s.today/PDF/17SATS119.pdf.
11. Kuznetsov, D. V. Study of the resistance of polymer composites based on
polypropylene to ultraviolet radiation / D. V. Kuznetsov, I. A. Ilyinykh, D. S. Muratov, N. V. Shatrova, I. N. Burmistrov // Modern problems science and education. 2012. № 6. - Access mode: http://science-education.ru/ru/article/view?id=7503.
12. Men'shikov, A. M., Platonov M. Yu. On the use of polymer culverts in the construction of logging roads // Engineering tasks: problems and solutions. Materials of the II All-Russian (national) scientific-practical conference. Arkhangelsk. Northern (Arctic) Federal University. M.V. Lomonosov, 2021. P. 154-157.
13. Vinokurov, A.G. Culvert pipes made of polymeric composite materials for the Arctic zone / A.G. Vinokurov, V.E. Gogolev // Collection of materials of the All-Russian Forum "Transport Systems and Road Infrastructure of the Far North" and the Student Science Week of the NEFU Road Faculty. Yakutsk. NEFU, 2018. P. 87-91.
14. Burmistrova, O.N. Application of fiberglass pipes on forest roads / O.N. Burmistrova, V. A. Povarova // Engineering Sciences. 2017. № 1. P. 1114.
15. Kiselev, A. D. The relevance of the formation of a base of composite materials and systems for road construction / A. D. Kiselev, V. A. Padokhin, E. S. Vasyutkin // Studarctic forum. 2018. № 9. P. 72-83.
16. Potyrala, P. B. Use of fibre-reinforced polymers in bridge construction. State of the art in hybrid and all-composite structures / Р. В. Potyrala; The Polytechnic University of Catalonia. Barcelona, 2011. - 93 p. - Режим доступа: https://upcommons.upc.edu/handle/2099.1Z12353.
17. Kendall, D. Developments in FRP bridge design / D. Kendall // Reinforced
Plastics. 2010. №54 (3). P. 38-42.
18. Kremneva, L. V. Composite materials [Electronic resource] / L. V. Kremneva, N. N. Zaitseva, S. D. Galeichenko // Borisoglebsk, 2018. - 3 p. - Access mode: https://nsportal.ru/npo-spo/arkhitektura-i-stroitelstvo/library/2018/03/17/statya-kompozitnye-materialy-01-2018.
19. Kozyreva, L. V. Modern materials for pedestrian bridges / L. V. Kozyreva, A. P. Syroev // Technical regulation in transport construction. 2019. № 1 (34). P. 82-85.
20. Ivanov, A.N. Improving the design and methods of calculating the span structures of bridges with bearing elements made of composite materials: author. dis. ... cand. tech. sciences: 05.23.11 / Ivanov Artyom Nikolaevich; FGBOU VPO "Siberian State University of Communications". - Novosibirsk, 2015. - 22 p.
СЧ СЧ
о
СЧ
to
О Ш
m
X
3
<
m О X X
