CC BY
96
УДК 625.122
И. Н. Журавлев
ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ АРМОГРУНТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Современные условия эксплуатации железных дорог ставят перед проектировщиками задачу разработки и внедрения прогрессивных способов усиления земляного полотна. Одним из таких способов является применение в конструкции земляного полотна современных геоматериалов.
Первостепенной задачей при этом является определение и оценка степени изменения прочностных и деформативных свойств армогрунтовых конструкций в зависимости от сочетания конструктивных и эксплуатационных параметров. Для решения этой задачи была проведена серия лабораторных штамповых испытаний армогрунтовых конструкций на основе щебня и песка.
армогрунтовая конструкция, штамповые испытания, геоматериал.
Введение
Политика ресурсосбережения, принятая в настоящее время на железных дорогах мира, диктует необходимость разработки способов снижения затрат на реконструкцию и ремонт пути при соблюдении его надежности и стабильности. Вместе с тем современные условия эксплуатации железных дорог, характеризующиеся увеличением скоростей движения поездов, ростом осевых и погонных нагрузок, внедрением новых конструкций верхнего строения пути, предъявляют повышенные требования к обеспечению надежной работы железных дорог в целом и железнодорожного земляного полотна в частности.
Наличие участков с деформациями и дефектами земляного полотна, имеющих значительную протяженность, постоянно повышающиеся требования к прочности и устойчивости ставят перед проектировщиками задачу разработки и широкого внедрения прогрессивных способов усиления земляного полотна.
Одним из таких, сравнительно новых способов является усиление земляного полотна при помощи современных геоматериалов (геосеток, георешеток). Механические характеристики грунтовых материалов, не обладающих значительной прочностью на растяжение, могут быть улучшены введением армирующих элементов, в качестве которых выступают слои плоскостных геоматериалов. Усиление земляного полотна геоматериалами возможно путем
57
армирования балластного слоя, основной площадки и тела насыпи, грунтов основания.
Полученный армогрунтовый материал обладает повышенной прочностью на растяжение, более низкой деформативностью по сравнению с исходным материалом и, как следствие, может быть с успехом использован в конструкции современного железнодорожного пути. Первостепенной задачей при этом является определение и оценка степени изменения прочностных и деформативных свойств армогрунтовых конструкций в зависимости от сочетания конструктивных и эксплуатационных параметров: вида исходного грунта и армирующего геоматериала, глубины укладки геоматериала от поверхности конструкции, количества слоев и расстояния между слоями геоматериала, диапазона и характера действующих нагрузок и т. д.
Для исследования деформативных свойств армогрунтовых конструкций была проведена серия лабораторных штамповых испытаний. В качестве исходных грунтов для создания армогрунтовых конструкций были выбраны щебень и песок, т. к. в реальных условиях при усилении основной площадки земляного полотна именно эти материалы часто являются заполнителем и вступают в совместную работу с армирующим их геоматериалом.
1 Методика проведения лабораторных испытаний
лабораторные штамповые испытания армогрунтовых массивов проводились в крупноразмерном испытательном лотке лаборатории механики грунтов Военно-транспортного университета железнодорожных войск (Санкт-Петербург). лоток представляет собой железобетонный резервуар с размерами емкости для грунта в плане 300 х 400 см, глубиной 203 см. Конструкция лотка позволяет исключить деформации основания и, соответственно, их дополнительное влияние на величину деформации армированного и неармированного слоя.
В состав установки для штамповых испытаний входили: прямоугольные металлические штампы с различной площадью рабочей поверхности; устройство для нагружения штампов - специализированный гидравлический домкрат; устройство для измерения осадок штампов, состоящее из нескольких прогибомеров, закрепленных на реперной системе. Данная конструкция лабораторной установки позволила обеспечить возможность нагружения грунтовых массивов ступенями по 0,01-0,1 МПа (0,1-1,0 кгс/см2), постоянство давления на каждой ступени, центрированную передачу нагрузки на штамп.
Для измерения горизонтального перемещения слоя геоматериала было реализовано следующее техническое решение. Непосредственно перед процессом засыпки к каждому из краев укладываемого геоматериала с помощью специальных карабинов прикреплялась стальная нить диаметром 0,5 мм.
58
Другой конец нити через систему блоков и карабинов соединялся с прогибомером, закрепленным на неподвижной системе отсчета и позволяющим снимать показания с точностью до 0,01 мм. Для предотвращения заклинивания стальной нити грунтом в пределах испытываемой конструкции нить была пропущена в стальной трубке диаметром 20 мм.
Общий вид установки для лабораторных штамповых испытаний приведен на рисунке 1.
Рис. 1. Общий вид установки для лабораторных штамповых испытаний
При проведении испытаний работы выполнялись в следующем порядке:
1) реализация конструктивного решения армирования;
2) установка штампа, монтаж нагрузочной и измерительной систем;
3) непосредственно испытания;
4) демонтаж нагрузочной и измерительной систем, снятие штампа;
5) разборка грунтового массива;
6) изъятие и осмотр образцов геоматериалов.
При реализации конструктивного решения армирования варьировались следующие параметры:
59
1) общая толщина слоя грунта;
2) тип армирующего геоматериала;
3) глубина укладки геоматериала от подошвы штампа;
4) количество слоев геоматериала и расстояние между ними.
Поверхность грунтового слоя в пределах площади установки штампа планировалась, проверялась общая высота конструкции, и только после этого устанавливался штамп. До начала нагружения контролировалась горизонтальность поверхности штампа строительным уровнем, а также точность установки штампа под центром нагрузочной балки. После монтажа всех устройств и измерительной системы производилась установка показаний приборов на нулевые деления и запись показаний в журнал. На каждом этапе производства работ производилось фотографирование.
В ходе испытаний загрузка штампа производилась ступенями АР разной величины, причем в первую ступень включался вес деталей установки, влияющих на нагрузку штампа. Максимальная нагрузка составила 0,25 МПа (2,5 кг/см2). Снятие отсчетов по измерительным приборам на каждой ступени нагрузки производилось после стабилизации деформации армогрунтового массива, за критерий условной стабилизации деформации принималась скорость осадки штампа, не превышающая 0,1 мм за время t = 30 минут. Величина полной деформации определялась как среднее арифметическое показаний приборов.
При достижении максимального значения нагрузки 0,25 МПа производилась полная разгрузка исследуемого массива с регистрацией показаний приборов.
2 Обработка и анализ результатов лабораторных испытаний
По результатам проведенных штамповых испытаний строились графики зависимости величины осадки штампа от величины вертикальной статически возрастающей нагрузки S = f (p), для выявления доли упругой деформации в общей деформации грунтового массива строилась также ветвь разгрузки [1].
Для линейных участков графиков определялись величины модуля общей деформации армогрунтовых конструкций Е МПа, по которым и оценивалась деформативность конструкций. При проведении нескольких штампо-вых испытаний одного и того же конструктивного решения армогрунтовой конструкции величина модуля общей деформации Ео вычислялось как среднее арифметическое модулей деформации в каждом испытании для каждого интервала нагрузки АР.
Анализ результатов штамповых испытаний различных конструктивных решений армогрунтового слоя позволяет отметить следующее.
60
1. Величина модуля общей деформации конструкций на основе щебня, армированных одним слоем плоскостного геоматериала, в реализованном диапазоне нагрузок на штамп возрастает в 1,22-1,34 раза, двумя слоями - в 1,79— 2,08 раза, тремя слоями в 2,15 раза по сравнению с вариантом без усиления.
2. Для конструкций на основе песка зафиксировано соотносительное увеличение модуля общей деформации в 1,38—1,50 раза при армировании в один слой, в 1,63—2,00 раза при армировании в два слоя по сравнению с вариантом без усиления.
3. Изменение расстояния между слоями плоскостного геоматериала с 10 до 30 см практически не изменяет модуля общей деформации щебня в реализованном диапазоне нагрузок.
4. Доля упругой составляющей в общей деформации армированных конструкций увеличилась на 7—35 % по сравнению с вариантом без усиления.
5. Во всех опытах не было зафиксировано сколь-нибудь значительного горизонтального перемещения геоматериалов от действия вертикальной нагрузки, т. е. образцы геоматериалов воспринимали растягивающие усилия без выдергивания из слоя грунта. Осмотр геоматералов после опытов не выявил каких-либо изменений геометрии ячеек или самих полотен геоматериалов (разрывов нитей, перекосов, нарушения сплошности и т. п.), что свидетельствует о нормальном режиме их работы в грунте.
Таким образом, анализ результатов штамповых испытаний в песке и щебне выявил закономерности изменения деформативных свойств армогрунтовых конструкций: при армировании грунта геоматериалом, при условии его включения в работу, происходит увеличение модуля общей деформации, зависящее от варианта конструктивного решения.
Заключение
Полученные результаты показали, что деформативные свойства армогрунтовых конструкций напрямую зависят от величины нагрузки на штамп и глубины укладки геоматериала. Очевидно, что сочетание этих факторов обусловливает величину напряжений, действующих на уровне армирующего слоя. Таким образом, важной задачей является определение величины напряжений на уровне армирующего слоя, при которых геоматериал включается в работу.
Величина напряжений включения в работу ов определялась в соответствии с известными решениями о затухании напряжений под подошвой жесткого прямоугольного штампа. Значения ов определялись в зависимости от соотношения сторон штампа, глубины расположения расчетного сечения под подошвой штампа (глубины укладки геоматериала) и величины нагрузки на штамп, при которой геоматериал включается в работу (определялась при совместном анализе зависимостей S = f (p) для усиленной и неусиленной
61
конструкций). В результате проведенных штамповых испытаний и последующих расчетов были определены величины напряжений включения в работу плоскостных геоматериалов.
Результаты лабораторных штамповых испытаний были использованы при разработке способа моделирования армирующих свойств геоматериалов, заключающегося в замене геоматериала эквивалентным слоем [2]. Данный способ моделирования армирующих свойств лег в основу методики расчета напряженно-деформированного состояния земляного полотна, учитывающей наличие в конструкции пути слоя геоматериала [3].
Библиографический список
1. Исследования эффективности применения современных геоматериалов в конструкции железнодорожного пути / А. В. Петряев, И. Н. Журавлев // Исследования и разработки ресурсосберегающих технологий на ж.-д. транспорте : межвуз. сб. науч. трудов с международным участием. - Вып. 21. - Самара : СамИИТ, 2001. - С. 319.
2. Оценка влияния геоматериалов на деформативность грунтовых массивов и разработка способа моделирования армирующих свойств геоматериалов / И. Н. Журавлев // Проблемы развития сети железных дорог : межвуз. сб. науч. трудов. - Хабаровск : ДВГУПС, 2006. - С. 102-105.
3. Разработка методики расчета напряженно-деформированного состояния земляного полотна, усиленного геоматериалами / И. Н. Журавлев // Железнодорожный транспорт: проблемы и решения : междунар. сб. трудов молодых ученых, аспирантов и докторантов. - Вып. 7. - СПб. : ПГУПС, 2004. - С. 38-42.
© Журавлев И. Н., 2012
62
