CC BY
17
УДК 625.1 2
Методологические аспекты исследования деформативности армогрунтовых конструкций
И. Н. Журавлев
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Журавлев И. Н. Методологические аспекты исследования деформативности армогрунтовых конструкций // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 1. - С. 71-76. Б01: 10.20295/1815-588Х-2020-1-71-76
Аннотация
Цель: Представление методологических основ исследования деформативности армогрунтовых конструкций, включающих в себя методики, обоснования, алгоритмы выбора технических параметров конструкций из армированного грунта для дорожного строительства. Методы: Инновационные разработки находят широкое применение при проектировании и строительстве такой важной составляющей дорожной инфраструктуры как земляное полотно. Применение современных геоматериалов позволяет решать задачи по улучшению прочностных и деформативных характеристик грунтов земляного полотна и основания. Спектр геоматериалов, а также широкий круг задач, стоящих перед инженерами-проектировщиками, диктует необходимость полного изучения этих прогрессивных технологий. Проводилось комплексное определение и оценка степени изменения деформативных свойств армогрунтовых конструкций в зависимости от сочетания параметров конструктивного, эксплуатационного и технологического характера. Результаты: Рассмотрены виды, цели, задачи, особенности различных исследований армогрунтовых конструкций, являющихся частью комплексного анализа. Практическая значимость: Методологические аспекты исследования деформативности армогрунтовых конструкций могут быть использованы: при разработке практических рекомендаций по определению рациональных сфер применения армированного грунта в конструкции земляного полотна железных и автомобильных дорог, при определении оптимальных конструктивных, эксплуатационных, технологических параметров работы армогрунтовых конструкций, при изучении возможности внедрения новых видов геоматериалов для армирования грунтовых массивов и при разработке нормативной документации по вопросам применения армогрунтовых конструкций на объектах транспортного строительства.
Ключевые слова: Армогрунтовая конструкция, земляное полотно, геоматериал, геотехнологии, деформативность, напряженно-деформированное состояние, транспортное строительство, лабораторные испытания, штамповые испытания, натурные испытания, конструктивные параметры, эксплуатационные параметры, технологические параметры, методика, методология.
Введение
В условиях постоянно повышающихся требований к надежности, стабильности, долговечности, экономичности, экологичности объектов транспортного строительства, обусловленных современными запросами на получение наилуч-
ших инженерных решений при минимальных затратах, пристальное внимание должно уделяться новейшим технологиям, которые способны данные запросы удовлетворить. Инновационные разработки, реализуемые в условиях политики ресурсосбережения, широко применяются в сфере железнодорожного и автодо-
рожного строительства, в частности при проектировании и строительстве такой важной составляющей дорожной инфраструктуры как земляное полотно. Например, использование в конструкции земляного полотна современных геоматериалов позволяет решать задачи по улучшению прочностных и деформативных характеристик грунтов земляного полотна и основания, увеличению погонных и осевых нагрузок, уменьшению строительной стоимости, снижению затрат по текущему содержанию, увеличению межремонтных сроков [1-5]. Вместе с тем значительный спектр выпускаемых производителями геоматериалов, а также не менее широкий круг задач, стоящих перед инженерами-проектировщиками, диктует необходимость всецелостного понимания возможностей этих прогрессивных технологий. Потому разработка методологических основ исследования дефор-мативности армогрунтовых конструкций, включающих в себя методики, обоснования, алгоритмы выбора технических параметров конструкций из армированного грунта для дорожного строительства, является актуальной задачей.
Теоретические и практические основы исследования деформативности армогрунтовых конструкций
Армогрунтовая конструкция представляет собой двухкомпонентную среду, состоящую из грунтового материала и армирующих элементов в виде одного или нескольких слоев геоматериалов. Упрочняющие слои геоматериала, при условии включения их в работу, воспринимают растягивающие усилия, подобно арматуре в железобетоне, что позволяет добиться более низкой деформативности армогрунтовой конструкции по сравнению с массивом неар-мированного грунта, имеющего, как известно, невысокую прочность на растяжение. В качестве армирующих элементов чаще всего выступают георешетки, геосетки, геосоты, геокомпозиты различных типов. Армогрунтовый материал может быть с успехом использован в конструкции автомобильного и железнодорож-
ного земляного полотна. Первостепенная задача при этом - определение и оценка степени изменения деформативных свойств армогрунтовых конструкций в зависимости от сочетания параметров конструктивного, эксплуатационного и технологического характера: вида исходного грунта и армирующего геоматериала, качества уплотнения грунта, глубины укладки геоматериала от поверхности конструкции, количества слоев и расстояния между слоями геоматериала, диапазона и характера действующих нагрузок и т. д. Для решения указанной задачи необходимо проведение комплексных исследований, включающих:
- лабораторные испытания армогрунтовых конструкций;
- натурные испытания армогрунтовых конструкций;
- теоретическое обоснование выбора параметров армогрунтовых конструкций;
- разработку методики расчета армогрунто-вых конструкций, сопоставление с результатами экспериментов;
- испытания армогрунтовых конструкций в реальных условиях на опытных участках;
- внедрение инженерного решения в производство, последующий мониторинг армогрунтовых конструкций на объектах внедрения.
При армировании грунта геоматериалом происходит увеличение модуля общей деформации, зависящее от варианта конструктивного решения [6]. Лабораторные штамповые испытания, проводимые в испытательных лотках, позволяют выявить закономерности изменения де-формативных свойств армогрунтовых конструкций при варьировании параметров и в широком диапазоне нагрузок, как статических, так и вибродинамических. В первом приближении могут быть решены задачи по подбору вида геоматериала, количества слоев, глубины укладки и т. п.; определены нагрузки, при которых геоматериал включается в работу; получены значения модулей общей деформации; сделаны прогнозы об эффективности работы армогрунтовых конструкций в реальных условиях. Кроме того, в лабораторных условиях возможно проведение испытаний на моделях малого масштаба, при этом
на достоверность их результатов существенное влияние оказывают такие факторы как выбор масштаба модели земляного полотна, степень подобия реальному сооружению, подбор действующих нагрузок, правильная интерпретация полученных результатов. К ключевым вопросам относится использование в конструкции маломасштабной модели образцов реальных геоматериалов, не подвергнутых масштабированию. Исследования деформативности модели насыпи, армированной геоматериалами, в условиях статического и вибродинамического нагруже-ния были выполнены, в частности, в ходе опытных работ; результаты модельных испытаний выявили уменьшение осадки модели насыпи в 1,8-2 раза (в зависимости от конструктивных параметров), увеличение разрушающего усилия, особенности разрушения армированной модели по сравнению с неармированной [7].
Проведение натурных штамповых испытаний в полевых условиях позволяет определить напряженно-деформированное состояние ар-могрунтовой конструкции, в частности изменение ее деформативных свойств в условиях имитации работы реального инженерного сооружения, будь то железнодорожное или автодорожное земляное полотно. Уточняются и корректируются конструктивные решения, производится сопоставление с результатами лабораторных испытаний, разрабатываются рекомендации к испытаниям на опытных участках. Кроме того, оказывается возможным дополнительно изучить влияние на деформативность армированного земляного полотна, например, метеорологических, гидрологических, гидрогеологических условий, изменение которых в лабораторных условиях можно лишь смоделировать с некоторой долей приближения.
Анализ результатов лабораторных и натурных испытаний, выполненных при варьировании параметров конструктивного, эксплуатационного, технологического характера, предоставляет широкий и разнообразный материал для построения теоретических основ с последующей разработкой методик расчета армогрун-товых конструкций. Проведенные исследования показали, что наличие в грунтовой конструкции
армирующих элементов в виде слоев геоматериала может быть учтено введением в расчет однородного эквивалентного слоя, заменяющего по своему воздействию на напряженно-деформированное состояние армогрунтовой конструкции воздействие геоматериала [8, 9]. Геометрические и деформационные характеристики эквивалентного слоя принимаются в соответствии с результатами лабораторных и натурных штамповых испытаний, проведенных для условий, соответствующих расчетным (вид армирующего геоматериала, вид грунта, диапазон нагрузок) [8]. Данный способ моделирования армирующих свойств лег в основу методики расчета напряженно-деформированного состояния армогрунтовых конструкций, учитывающей наличие в конструкции слоя геоматериала, и нашел применение, в частности, при расчетах железнодорожного земляного полотна [10].
Исследование деформативных свойств ар-могрунтовых конструкций в условиях производства позволяет проверить сходимость практических и теоретических данных, полученных на предыдущих этапах лабораторных, полевых и камеральных работ, с результатами, полученными в реальных условиях эксплуатации транспортного сооружения, а также оценить жизнеспособность предложенных инженерных решений. Испытания армированного геоматериалами железнодорожного земляного полотна проводились в рамках комплексных научных работ как на опытных участках небольшой протяженности, так и на действующих перегонах магистральных ходов Октябрьской железной дороги, с последующим мониторингом состояния участков. Сопоставление теоретических и практических результатов показало хорошую степень сходимости для некоторого диапазона конструктивных, эксплуатационных и технологических параметров [2, 11, 12].
Заключение
Рассмотренные методологические аспекты исследования деформативности армогрун-товых конструкций могут быть использованы
при разработке практических рекомендаций по определению рациональных сфер применения армированного грунта в конструкции земляного полотна железных и автомобильных дорог, оптимальных конструктивных, эксплуатационных, технологических параметров работы ар-могрунтовых конструкций, при изучении возможности внедрения новых видов геоматериалов для армирования грунтовых массивов и при разработке нормативной документации по вопросам применения армогрунтовых конструкций на объектах транспортного строительства.
Библиографический список
1. Грицык В. И. Геоматериалы, геоконструкции в объектах земляного полотна / В. И. Грицык // Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов : материалы II Междунар. науч.-технич. конференции. - СПб. : ПГУПС, 2002. -С. 29-32.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. Петряев А. В. Несущая способность железнодорожного земляного полотна, армированного геосинтетическими материалами / А. В. Петряев // Транспорт Урала. - 2019. - № 1 (60). - С. 71-75.
6. Журавлев И. Н. Лабораторные испытания армо-грунтовых конструкций / И. Н. Журавлев // Бюл. результатов науч. исследований. - 2012. - Вып. 4 (3). -С. 57-62.
7. Петряев А. В. Современные геоматериалы, модельные испытания в лабораторных условиях / А. В. Петряев, И. Н. Журавлев // Современные проблемы и прогрессивные технологии в путевом хозяйстве Октябрьской железной дороги : тез. докл. 43-й науч.-технич. конференции. - СПб. : ПГУПС, 2001. - С. 119-122.
8. 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.
B. С. Шварцфельда. - Хабаровск : ДВГУПС, 2006. -
C. 102-105.
9. Петряев А. В. Моделирование поведения геосинтетического материала в железнодорожном земляном полотне / А. В. Петряев // Транспорт Урала. -2017. - № 1 (52). - С. 61-66.
10. 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.
11. 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.
12. 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.
Дата поступления: 12.12.2019 Решение о публикации: 27.12.2019
Контактная информация:
ЖУРАВЛЕВ Игорь Николаевич - канд. техн. наук, доцент; oldmasterplus@mail.ru
Methodological aspects of reinforced ground structures' deformability study
I. N. Zhuravlev
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Zhuravlev I. N. Methodological aspects of reinforced ground structures' deformability study. Proceedings of Petersburg Transport University, 2020, vol. 17, iss. 1, pp. 71-76. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2020-1-71-76
Summary
Objective: Presentation of the methodological foundations of the reinforced ground structures deformability study, including procedures, rationales, algorithms for selecting the technical parameters of reinforced ground structures for road construction. Methods: Innovative engineering is widely used in the design and construction of such an important component of the road infrastructure as the roadbed. The use of advanced geomaterials allows solving the problem of improving the strength and deformation characteristics of roadbed and base soils. The range of geomaterials, as well as a wide range of tasks facing design engineers, necessitate a thorough study of these advanced technologies. A comprehensive determination and assessment of the degree of change in the deformability of reinforced ground structures versus a combination of structural, operational and process parameters have been carried out. Results: The types, objectives, challenges, features of various studies of reinforced ground structures, which are part of a comprehensive analysis, have been considered. Practical importance: Methodological aspects of the reinforced ground structures' deformability study can be applied in: developing practical recommendations for determining feasible areas of reinforced ground application in the railway and highway roadbed construction; determining the optimal structural, operational, process parameters of the reinforced ground structures' operation; studying the possibility of using new types of geomaterials for reinforcing soil masses and developing regulatory documentation on the use of reinforced ground structures at transport construction sites.
Keywords: Reinforced ground structure, roadbed, geomaterial, geotechnology, deformability, stressstrain state, transport construction, laboratory tests, laboratory equipment, plate-bearing tests, full-scale tests, design parameters, operational parameters, process parameters, procedure, methodology.
References
1. Gritsyk V. I. Geomaterialy, geokonstruktsii v ob"yektakh zemlyanogo polotna [Geomaterials, geocon-structions in the roadbed facilities]. Primeneniye geoma-terialovpri stroitel'stve i rekonstruktsii transportnykh ob"yektov. Materialy II Mezhdunar. nauch.-tekhnich. konferentsii [7he use of geomaterials in the construction and reconstruction of transport facilities. Proceedings of the II International Scientific and Technical Conference]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2002, pp. 29-32. (In Russian)
2. 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)
3. Blazhko L. S., Chuyan S. N., Zakharov V. B. & Chernyayev E. V. Analiz sposobov povysheniya ne-sushchey sposobnosti gruntov osnovnoy ploshchadki zemlyanogo 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)
4. 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], ed. by A. F. Ko-los, A. V. Kabanov. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2018, pp. 255-266. (In Russian)
5. Petryayev A. V. Nesushchaya sposobnost' zhe-leznodorozhnogo zemlyanogo polotna, armirovannogo geosinteticheskimi 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)
6. Zhuravlev I. N. Laboratornyye ispytaniya ar-mogruntovykh konstruktsiy [Laboratory tests of reinforced ground structures]. Bulletin of scientific research results, 2012, iss. 4 (3), pp. 57-62. (In Russian)
7. 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)
8. 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)
9. 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)
10. 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)
11. Petryayev A. V. & Zhuravlev I. N. Issledovaniya effektivnosti primeneniya sovremennykh geomaterialov v konstruktsii zheleznodorozhnogo puti [Studies of the effectiveness of modern geomaterials in the construction of a railway track]. Issledovaniya i razrabotki resursosbere-gayushchikh tekhnologiy na zheleznodorozhnom transporte [Research and development of resource-saving technologies in railway transport]. Mezhvuz. sb. nauch. trudov s mezhdunarodnym uchastiyem [Interuniversity collection of scientific proceedings with international participation]. Samara, SamIIT [Samara State Transport University] Publ., 2001, iss. 21, pp. 319-320. (In Russian)
12. Blazhko L. S. Perspektiva primeneniya geoma-terialov v konstruktsii verkhnego stroyeniya puti na uchastkakh obrashcheniya podvizhnogo sostava s ose-vymi 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 ofgeomaterials 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. 66-68. (In Russian)
Received: December 12, 2019 Accepted: December 27, 2019
Author's information:
Igor' N. ZHURAVLEV - PhD in Engineering, Associate Professor; oldmasterplus@mail.ru
