CC BY
24
^ СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ
УДК 625.1 2
Методическое сопровождение штамповых испытаний армогрунтовых конструкций
Н. Н. Богомолова, И. Н. Журавлев
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Богомолова Н. Н., Журавлев И. Н. Методическое сопровождение штамповых испытаний армогрунтовых конструкций // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 1. - С. 55-61. Б01: 10.20295/1815-588Х-2020-1-55-61
Аннотация
Цель: Разработка основных положений методического сопровождения лабораторных штамповых испытаний армогрунтовых конструкций. Методы: В современных условиях проектирования, строительства и эксплуатации железных и автомобильных дорог повышенное внимание уделяется вопросам применения инновационных геотехнологий, позволяющих разрабатывать и использовать на практике инженерные решения, существенно улучшающие показатели работы сооружений при соблюдении экономических требований. Примером такой перспективной геотехнологии является использование армогрунтовых конструкций. Улучшение деформативных характеристик исходного грунта становится возможным благодаря наличию геоматериалов, несущих армирующую функцию. Теоретические наработки, методика расчета напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов дают возможность производить обоснованный выбор параметров армогрунтовых конструкций и рекомендовать их применение в конкретных условиях для решения ряда практических задач. Способ учета армирующих свойств геоматериалов, предполагающий введение в расчет условно однородного эквивалентного слоя, а также разработанная на его основе методика расчета напряженно-деформированного состояния армогрунтовых конструкций обусловливают необходимость проведения лабораторных штамповых испытаний. Результаты: Рассмотрены основные требования к конструкции лабораторного оборудования, учитывающие специфику испытаний; изложен порядок проведения лабораторных штамповых испытаний армо-грунтовых конструкций; указаны основные требования, которые должны быть учтены при подготовке и проведении штамповых испытаний армогрунтовых конструкций; приведены данные относительно обработки результатов штамповых испытаний армогрунтовых конструкций. Практическая значимость: Рассмотренные основные положения методического сопровождения лабораторных штамповых испытаний армогрунтовых конструкций могут быть использованы при разработке полноценного методического обеспечения исследования деформативности конструкций из армированного грунта. Обоснованный выбор технических параметров армогрунтовых конструкций существенно расширит возможности по их применению в сфере транспортного строительства, что позволит более эффективно решать ряд практических инженерных задач на современном уровне.
Ключевые слова: Армогрунтовая конструкция, железная дорога, автомобильная дорога, геоматериал, геотехнологии, деформативность, напряженно-деформированное состояние, транспортное
строительство, лабораторные испытания, лабораторное оборудование, штамповые испытания, статическая нагрузка, вибродинамическая нагрузка, конструктивные параметры, технические параметры, эквивалентный слой, методика расчета, методология.
Введение
В современных условиях проектирования, строительства и эксплуатации железных и автомобильных дорог повышенное внимание уделяется вопросам инновационных геотехнологий, позволяющих разрабатывать и использовать на практике инженерные решения, существенно улучшающие показатели работы сооружений при соблюдении экономических требований. Примером такой перспективной геотехнологии является применение армогрунтовых конструкций для целей как железнодорожного, так и автодорожного строительства.
Армогрунтовая конструкция представляет собой двухкомпонентную среду, включающую, помимо грунта, дополнительные армирующие слои геосинтетических материалов. Улучшение деформативных характеристик исходного грунта становится возможным как раз благодаря наличию таких дополнительных элементов, несущих армирующую функцию и воспринимающих растягивающие напряжения, подобно арматурным стержням в железобетоне. Положительные результаты лабораторных и натурных испытаний, а также многолетний опыт внедрения на отдельных участках железных и автомобильных дорог доказали эффективность применения геоматериалов в конструкции железнодорожного пути и в конструкции основания автодорожной одежды [1-8]. Теоретические наработки, в том числе методика расчета напряженно-деформированного состояния грунтовых массивов [9], дают возможность производить обоснованный выбор параметров армогрунтовых конструкций и рекомендовать использование в конкретных условиях для решения практических задач по снижению дефор-мативности земляного полотна и балластного слоя, основания дорожной одежды и в целом по повышению стабильности и надежности, улучшению эксплуатационных качеств железных и
автомобильных дорог. Вместе с тем предложенный способ учета армирующих свойств геоматериалов, предполагающий введение в расчет условно однородного эквивалентного слоя [10], а также созданная на его основе методика расчета напряженно-деформированного состояния армогрунтовых конструкций [9], обусловливают необходимость определения исходных параметров и показателей, которые могут быть получены в условиях лабораторных штамповых испытаний. В связи с этим разработка основных положений методического сопровождения лабораторных штамповых испытаний армогрун-товых конструкций - одна из актуальных задач работы.
Лабораторное оборудование для штамповых испытаний армогрунтовых конструкций
При проведении штамповых испытаний конструкция лабораторного оборудования должна отвечать ряду требований, учитывающих специфику испытаний [10-12]. К ним относятся следующие:
- размеры лабораторного лотка должны быть такими, чтобы не возникало дополнительного влияния стенок на результаты испытаний;
- конструкция лабораторного лотка должна быть рассчитана на реализацию нагрузок, приближенных к эксплуатационным нагрузкам в реальных условиях;
- нагружение штампа осуществляется гидравлическим домкратом или тарированным грузом. Должна быть предусмотрена возможность нагружения армогрунтовых конструкций ступенями по 0,01-0,1 МПа (0,1-1,0 кгс/см 2). Нагрузка измеряется с погрешностью не более 5 % ступени давления;
- конструкция лабораторной установки должна обеспечивать постоянство давления
на каждой ступени нагрузки, центрированную вертикальную передачу нагрузки на штамп;
- конструкция лабораторной установки должна иметь техническую возможность для создания не только статической, но и вибродинамической нагрузки на штамп;
- устройство для измерения осадок штампа должно обеспечивать измерение их с точностью не менее 0,1 мм. Система из нескольких струнных прогибомеров, закрепленных на реперной системе и соединенных со штампом стальной проволокой диаметром не менее 0,3 мм, позволяет осуществлять измерения с требуемой точностью [12];
- дополнительно в лабораторной установке должна быть предусмотрена возможность измерения как свободного перемещения геоматериала в горизонтальной плоскости, так и деформации геоматериала в условиях его фиксации к стенкам лотка. Принимая во внимание высокую жесткость некоторых видов геоматериалов, измерительная система должна обеспечивать возможность снятия показаний с точностью не менее 0,01 мм.
Подготовка и проведение штамповых испытаний армогрунтовых конструкций
Порядок проведения лабораторных штам-повых испытаний армогрунтовых конструкций установлен в [12] и включает: реализацию конструктивного решения армирования, которое происходит в условиях варьирования общей толщины слоя грунта, типа, глубины укладки, количества слоев и расстояния между слоями армирующего геоматериала; установку штампа, монтаж нагрузочной и измерительной систем; сами испытания; демонтаж нагрузочной и измерительной систем, снятие штампа; разборку армогрунтовой конструкции; изъятие и осмотр образцов геоматериалов.
Основные требования, которые должны быть учтены при подготовке и проведении штампо-вых испытаний:
- после реализации конструктивного решения армирования необходимо выполнить плани-
ровку поверхности грунтового слоя в пределах площади установки штампа, проверку общей высоты конструкции;
- после установки штампа, до начала на-гружения, следует выполнить контроль горизонтальности поверхности штампа, а также его центрирование относительно устройства нагружения;
- загрузка штампа производится ступенями различной величины, в первую ступень необходимо включить вес деталей установки, влияющих на загрузку штампа;
- максимальная величина нагрузки устанавливается исходя из реализуемого конструктивного решения армирования и поставленных задач;
- снятие показаний по измерительным приборам производится после стабилизации деформаций армогрунтовой конструкции. За критерий условной стабилизации деформаций принимается скорость осадки штампа, составляющая не более 0,1 мм за 30 мин. Время выдерживания последующей ступени нагрузки не должно быть меньше, чем время выдерживания предыдущей;
- величина деформаций определяется как среднее арифметическое из показаний всех измерительных приборов;
- для соблюдения достоверности результатов необходимо проведение экспериментальной серии, состоящей из нескольких опытов, одинаковых по конструктивному решению армирования и режиму нагружения. Минимальное число опытов в серии может быть определено с использованием критерия Стьюдента.
Обработка результатов штамповых испытаний армогрунтовых конструкций
По результатам проведенных лабораторных штамповых испытаний выполняется статистическая обработка результатов, строятся графики зависимости величины осадки штампа от вертикальной, возрастающей нагрузки; для выявления доли упругой деформации в общей
деформации грунтового массива строится также ветвь разгрузки [12]. Для линейных участков графиков определяются величины модуля общей деформации армогрунтовых конструкций, диапазон нагрузок для эффективной работы геоматериала, параметры эквивалентного слоя и исходные данные для расчета изучаемой армогрунтовой конструкции по предложенной методике [9, 10, 12].
Заключение
Основные положения методического сопровождения лабораторных штамповых испытаний армогрунтовых конструкций могут быть использованы при разработке полноценного методического обеспечения исследования де-формативности конструкций из армированного грунта. Обоснованный выбор технических параметров армогрунтовых конструкций существенно расширит возможности по их применению в сфере транспортного строительства, что позволит более эффективно решать ряд практических инженерных задач на современном уровне.
Библиографический список
1. Блажко Л. С. Испытания модели балластного слоя, армированного геоматериалами / Л. С. Блажко, Е. С. Свинцов, А. В. Петряев // Путь и путевое хозяйство. - 2000. - № 6. - С. 29-30.
2. Петряев А. В. Исследования эффективности применения современных геоматериалов в конструкции железнодорожного пути / А. В. Петряев, И. Н. Журавлев // Исследования и разработки ресурсосберегающих технологий на железнодорожном транспорте : межвуз. сб. науч. трудов с международным участием. - Самара : СамИИТ, 2001. - Вып. 21. -С. 319-320.
3. Ашпиз Е. С. Опыт применения геосинтетических материалов при усилении и реконструкции земляного полотна железных дорог / Е. С. Аш-пиз // Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов : материа-
лы II Междунар. науч.-технич. конференции. - СПб. : ПГУПС, 2002. - С. 7-14.
4. Блажко Л. С. Перспектива применения геоматериалов в конструкции верхнего строения пути на участках обращения подвижного состава с осевыми нагрузками до 30 т/ось / Л. С. Блажко // Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов : материалы II Междунар. науч.-технич. конференции. - СПб. : ПГУПС, 2002. - С. 66-68.
5. Блажко Л. С. Анализ способов повышения несущей способности грунтов основной площадки земляного полотна / Л. С. Блажко, С. Н. Чуян, В. Б. Захаров, Е. В. Черняев // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2016. - Т. 13. - Вып. 3 (48). -С. 328-336.
6. Петряев А. В. Моделирование поведения геосинтетического материала в железнодорожном земляном полотне / А. В. Петряев // Транспорт Урала. -2017. - № 1 (52). - С. 61-66.
7. Петряев А. В. Армирование подбалластного слоя георешетками как альтернатива защитным слоям из смесей специального подобранного грансоста-ва / А. В. Петряев, В. В. Ганчиц // Актуальные проблемы развития транспортной инфраструктуры : сб. науч. трудов / под ред. А. Ф. Колоса, А. В. Кабанова. -СПб. : ПГУПС, 2018. - С. 255-266.
8. Петряев А. В. Несущая способность железнодорожного земляного полотна, армированного геосинтетическими материалами / А. В. Петряев // Транспорт Урала. - 2019. - № 1 (60). - С. 71-75.
9. Журавлев И. Н. 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. - СПб. : ПГУПС, 2004. -Вып. 7. - С. 38-42.
10. Журавлев И. Н. 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 / под ред. В. С. Шварцфельда. - Хабаровск : ДВГУПС, 2006. - С. 102-105.
11. Петряев А. В. Современные геоматериалы. модельные испытания в лабораторных условиях / А. В. Петряев, И. Н. Журавлев // Современные проб-
лемы и прогрессивные технологии в путевом хозяйстве Октябрьской железной дороги : тез. докл. 43-й науч.-технич. конференции. - СПб. : ПГУПС, 2001. - С. 119-122.
12. Журавлев И. Н. Лабораторные испытания ар-могрунтовых конструкций / И. Н. Журавлев // Бюл. результатов науч. исследований. - 2012. - Вып. 4 (3). -С. 57-62.
Дата поступления: 19.12.2019 Решение о публикации: 27.12.2019
Контактная информация:
БОГОМОЛОВА Наталья Николаевна - канд. техн. наук, доцент; bogomolova. n.n@yandex.ru ЖУРАВЛЕВ Игорь Николаевич - канд. техн. наук, доцент; oldmasterplus@mail.ru
Methodology of plate-bearing tests of reinforced ground structures
N. N. Bogomolova, I. N. Zhuravlev
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Bogomolova N. N., Zhuravlev I. N. Methodology of plate-bearing tests of reinforced ground structures. Proceedings of Petersburg Transport University, 2020, vol.17, iss. 1, pp. 55-61. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2020-1-55-61
Summary
Objective: Development of the basic methodological provisions of laboratory plate-bearing tests of reinforced ground structures. Methods: In the current situation in design, construction and operation of railways and highways, increased attention is paid to the use of innovative geotechnologies, which allow developing and applying engineering solutions that significantly improve the performance of structures while complying with economic requirements. An example of such a promising geotechnology is the use of reinforced ground structures. Improving the deformation characteristics of the base soil becomes possible due to reinforcing geomaterials. Theoretical insights, methods for calculating the stress-strain state of soil masses make it possible to select a reasonable set of parameters of reinforced ground structures and recommend their use in specific conditions to solve a number of practical problems. The method of accounting for the reinforcing properties of geomaterials, which involves the introduction of a conditionally uniform equivalent layer into the calculation, as well as the procedure developed on its basis for calculating the stress-strain state of reinforced ground structures, necessitate laboratory plate-bearing tests. Results: The basic requirements for the design of laboratory equipment, taking into account the specifics of the tests have been discussed; the procedure for conducting laboratory plate-bearing tests of reinforced ground structures have been set out; the main requirements have been indicated that should be taken into account when preparing and conducting plate-bearing tests of reinforced ground structures; the data on processing the results of plate-bearing tests of reinforced ground structures have been provided. Practical importance: The reviewed basic methodological provisions of laboratory plate-bearing tests of reinforced ground structures can be used in the development of full-fledged methodology for the study of the deformability of reinforced ground structures made. An appropriate choice of the technical parameters of reinforced ground structures will significantly expand the range of their application in the transport construction, which will allow more efficiently solving a number of practical engineering problems up to the latest standards.
Keywords: Reinforced ground structure, railway, highway, geomaterial, geotechnology, deformability, stress-strain state, transport construction, laboratory tests, laboratory equipment, plate-bearing tests, static load, vibrodynamic load, design parameters, technical parameters, equivalent layer, calculation procedure, methodology.
References
1. Blazhko L. S., Svintsov E. S. & Petryayev A. V. Ispy-taniya modeli ballastnogo sloya, armirovannogo geo-materialami [Testing a model of a stone bed reinforced with geomaterials]. Put'iputevoyekhozyaystvo [Railway Track and Facilities], 2000, no. 6, pp. 29-30. (In Russian)
2. Petryayev A. V. & Zhuravlev I. N. Issledovaniya effektivnosti primeneniya sovremennykh geomateria-lov v konstruktsii zheleznodorozhnogo puti [Studies of the effectiveness of modern geomaterials in the construction of a railway track]. Issledovaniya i razrabotki resursosberegayushchikh tekhnologiy na zheleznodo-rozhnom transporte. Mezhvuz. sb. nauch. trudov s me-zhdunarodnym uchastiyem [Research and development of resource-saving technologies in railway transport. In-teruniversity collection of scientific proceedings with international participation]. Samara, SamIIT [Samara State Transport University] Publ., 2001, iss. 21, pp. 319-320. (In Russian)
3. Ashpiz E. S. Opyt primeneniya geosinteticheskikh materialov pri usilenii i rekonstruktsii zemlyanogo po-lotna zheleznykh dorog [Experience in the use of geosyn-thetic materials in the reinforcement and reconstruction of the railway roadbed]. Primeneniye geomaterialov pri stroitel'stve i rekonstruktsii transportnykh ob"yektov [The use of geomaterials in the construction and reconstruction of transport facilities]. Materialy II Mezhdunar. nauch.-tekhnich. konferentsii [Proceedings of the II International Scientific and Technical Conference]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2002, pp. 7-14. (In Russian)
4. Blazhko L. S. Perspektiva primeneniya geomateria-lov v konstruktsii verkhnego stroyeniya puti na uchast-kakh obrashcheniya podvizhnogo sostava s osevymi nagruzkami do 30 t/os' [The prospect of using geomaterials in the construction of the track's superstructures in the areas of rolling stock circulation with axle loads up to 30 t/axle]. Primeneniye geomaterialov pri stroitel'stve i rekonstruktsii transportnykh ob"yektov [The use of geomaterials in the construction and reconstruction of trans-
port facilities]. Materialy II Mezhdunar. nauch.-tekhnich. konferentsii [Proceedings of the II International Scientific and Technical Conference]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2002, pp. 66-68. (In Russian)
5. Blazhko L. S., Chuyan S. N., Zakharov V. B. & Chernyayev E. V. Analiz sposobov povysheniya nesush-chey sposobnosti gruntov osnovnoy ploshchadki zemlya-nogo polotna [Analysis of methods of increasing the soil bearing capacity of the top of subgrade]. Proceedings of Petersburg Transport University, 2016, vol. 13, iss. 3 (48), pp. 328-336. (In Russian)
6. Petryayev A. V. Modelirovaniye povedeniya geo-sinteticheskogo materiala v zheleznodorozhnom zemlya-nom polotne [Modeling the behavior of geosynthetic material in a railway roadbed]. Transport Urala [Transport of the Urals], 2017, no. 1 (52), pp. 61-66. (In Russian)
7. Petryayev A. V. & Ganchits V. V. Armirovaniye pod-ballastnogo sloya georeshetkami kak al'ternativa zash-chitnym sloyam iz smesey spetsial'nogo podobrannogo gransostava [Reinforcement of the sub-ballast bed with geogrids as an alternative to protective layers made of specially selected granular mixtures]. Aktual'nyye prob-lemy razvitiya transportnoy infrastruktury [Urgent matters of the development of transport infrastructure]. Sb. nauch. trudov [Scientific proceedings], edited by A. F. Ko-los, A. V. Kabanov. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2018, pp. 255-266. (In Russian)
8. Petryayev A. V. Nesushchaya sposobnost' zhelez-nodorozhnogo zemlyanogo polotna, armirovannogo geo-sinteticheskimi materialami [Bearing capacity of the railway roadbed reinforced with geosynthetic materials]. Transport Urala [Transport of the Urals], 2019, no. 1 (60), pp. 71-75. (In Russian)
9. Zhuravlev I. N. Razrabotka metodiki rascheta napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya zemlya-nogo polotna, usilennogo geomaterialami [Development of a methodology for calculating the stress-strain state of the stress-strain state of the roadbed reinforced with geomaterials]. Zheleznodorozhnyy transport:problemy i
resheniya. Mezhdunar. sb. trudov molodykh uchenykh, aspirantov i doktorantov [Railway Transport: Problems and Solutions. International proceedings of young scientists, graduate students and doctoral students]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2004, iss. 7, pp. 38-42. (In Russian)
10. Zhuravlev I. N. Otsenka vliyaniya geomaterialov na deformativnost' gruntovykh massivov i razrabotka sposoba modelirovaniya armiruyushchikh svoystv geo-materialov [Assessing the impact of geomaterials on the deformability of soil masses and developing a method for modeling the reinforcing properties of geomaterials]. Problemy razvitiya seti zheleznykh dorog [Problems of the railway network development]. Mezhvuz. sb. nauch. trudov [Interuniversity collection of scientific proceedings], ed. by V. S. Shvartsfel'd. Khabarovsk, DVGUPS [Far Eastern State Transport University] Publ., 2006, pp. 102-105. (In Russian)
11. Petryayev A. V. & Zhuravlev I. N. Sovremennyye geomaterialy, model'nyye ispytaniya v laboratornykh us-loviyakh [Modern geomaterials, model laboratory tests].
Sovremennyye problemy i progressivnyye tekhnologii v putevom khozyaystve Oktyabr 'skoy zheleznoy dorogi [Current issues and advanced technologies in the railway facilities of the October Railway]. Tez. dokl. 43y nauch.-tekhnich. konferentsii [Abstracts of the 43rd Scientific and Technical Conference]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2001, pp. 119-122. (In Russian)
12. Zhuravlev I. N. Laboratornyye ispytaniya ar-mogruntovykh konstruktsiy [Laboratory tests of reinforced ground structures]. Bulletin of scientific research results, 2012, iss. 4, pp. 57-62. (In Russian)
Received: December 19, 2019 Accepted: December 27, 2019
Author's information:
Natal'ya N. BOGOMOLOVA - PhD in Engineering, Associate Professor; bogomolova. n.n@yandex.ru Igor' N. ZHURAVLEV - PhD in Engineering, Associate Professor; oldmasterplus@mail.ru
