Моделирование процессов устойчивости высоких насыпей автомобильных дорог на основе грунтоизвесткового композита Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Волков В.В. канд. физ.-мат. наук, доцент, Яковлев Е.А. канд. техн. наук Щеглов А.Ф. канд. техн. наук Кочетков В.А. адъюнкт, Матвиенко Ф.В., адъюнкт Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова

Воронежский авиационно-инженерный университет

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ УСТОЙЧИВОСТИ ВЫСОКИХ НАСЫПЕЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ НА ОСНОВЕ ГРУНТОИЗВЕСТКОВОГО КОМПОЗИТА

Приводятся данные моделирования прочности и устойчивости конструкции высокой насыпи на основе грунтоизвесткового конгломерата, которые позволили получить следующее: установлен характер влияния собственного веса конструкции на прочность и устойчивость высокой насыпи; показано незначительное воздействие на прочность и устойчивость высокой насыпи динамической и статической нагрузок от транспорта, а также влияния внешних факторов; выявлен характер влияния коэффициента Пуассона, а, следовательно, состава самого конгломерата на прочность и устойчивость высокой насыпи; предложена математическая зависимость изменения плотности грунтоизвесткового композита в зависимости от высоты насыпи.

Как показывает практика строительства и эксплуатации транспортных сооружений, земляное полотно играет важную роль в процессе эксплуатации конструкции автомобильной дороги в целом.

Известно, что потеря несущей способности конструкций земляных сооружений зачастую связана с рядом факторов, основными из которых являются: некачественное производство работ, несоблюдение технологических операций, использование непригодного грунта для строительства земляного полотна и воздействие внешних факторов и нагрузок. Особенно сильное влияние выше перечисленные факторы оказывают на работоспособность конструкций высоких насыпей.

В связи с этим, в процессе строительства конструкций высоких насыпей выполняются работы по закреплению тела насыпи, для создания более прочных и устойчивых конструкций. Однако, главными недостатками всех известных на сегодняшний день методов закрепления является их высокая трудоемкость и сметная стоимость, что предопределяет необходимость поиска нового решения по созданию устойчивых конструкций высоких насыпей земляного полотна.

В свете поиска нового и эффективного решения авторами предлагается использовать в качестве материала для создания устойчивых конструкций высоких насыпей грунтоизвестковый композит на основе глинистых горных пород естественного залегания и низкоактивных известьсодержащих отходов сахарных заводов. Как показали теоретические и лабораторные исследования, использование грунтоизвесткового композита позволяет: получить плотные и прочные конструкции земляно-

го полотна [1, 2] и снизить сроки строительства автомобильной дороги в целом с двух лет до одного года.

Для подтверждения возможности создания устойчивых конструкций насыпей на основе разработанных составов грунтоизвесткового композита было осуществлено моделирование процессов работы конструкции на основе реального проекта строительства с применением синтезированного конгломерата.

Моделирование процесса работы конструкции выполнялось в среде МаИаЬ, приложение Рет1аЬ, методом конечных элементов [3]. В программной оболочке решалась стыковая задача воздействия внешних факторов на проектируемую конструкцию высокой насыпи и снятие величин касательных и норм альных напряжений, а также величины вертикальных и горизонтальных деформаций при суммарном воздействии нагрузок.

За параметры моделирования были приняты следующие начальные условия: участок конструкции насыпи высотой 32,5 м и длиной 200 м с заложением откосов 1:1; модуль упругости - 300 МПа; коэффициент Пуассона -0,35; предел прочности при сжатии - 8 МПа; угол внутреннего трения - 78°; категория автомобильной дороги - II; число полос движения - 4.

Конструкция высокой насыпи проверялась на потерю устойчивости и величину осадки и исследовалась по следующим расчетным схемам нагружения: движение двух груженых автопоездов массой 30 ткаждый навстречу друг другу по крайним правым полосам; движение четырех груженых автопоездов навстречу друг другу по крайним правым полосам; движение восьми автопоездов при аналогичных условиях; действие собственного

веса конструкции и воздействие внешних факторов.

Анализ данных испытаний показ ал, что при движении восьми груженых автопоездов без учета собственного веса насыпи осадка насыпи составляет 0,022 м, что говорит о возможности пренебречь воздействием динамической и статической нагрузок на прочность и устойчивость конструкции высокой насыпи. Воздействие внешних факторов, также без учета собственного веса конструкции, не оказывает существенного влияния на прочность и устойчивость.

Для вариантного моделирования процессов устойчивости и прочности конструкции высокой насыпи в зависимости от собственного веса грунта были заданы условия изменения коэффициента Пуассона (к), отвечающего за упруго-пластическое состояние материала, который принимался равным 0,3; 0,35 и 0,45 (рис. 1). Моделирование производилось по аналогичным схемам нагружения.

Анализ полученных результатов по осадке высокой насыпи (рис. 1) показал, что при уменьшении коэффициента Пуассона - 0,3 (материал представляет собой более пластичный конгломерат, чем заработанный композит, т.е. упруго-пластические связи грунта не полностью перешли в прочностные связи грунтоизвесткового композита) осадка высокой насыпи составляет 1,214 м.

При величине коэффициента Пуассона - 0,35 (материал представляет собой разработанный грунтоизвест-ковый композит оптимального состава на основе глинистого грунта, с числом пластичности 20, естественного залегания и низкоактивных известьсодержащих отходов) осадка конструкции высокой насыпи составляет 1,089 м.

При увеличении коэффициента Пуассона - 0,45 (материал представляет собой более плотный и прочный конгломерат за счет увеличения содержания известкового вяжущего и, например, добавления цемента) осадка конструкции высокой насыпи составляет 0,743 м.

Анализ результатов горизонтальных (поперечных) перемещений высокой насыпи показал, что при величине коэффициента Пуассона - 0,3 происходит боковое выдавливание материала на величину 0,207 м по откосам насыпи, прочность и устойчивость конструкции нарушаются, за счет присутствия в материале остаточных упруго-пластических деформаций, которые накапливаются во времени, что в итоге приводит к разрушению конструкции и потере общей устойчивости.

При величине коэффициента Пуассона - 0,35 отмечена величина бокового расширения равная 0,276 м, характерно отличающаяся тем, что при отсутствии остаточных упруго-пластических деформаций в структуре грунтоизвесткового композита, данный дефект с течением времени и доупрочнения структуры грунтоизвес-ткового конгломерата станет удерживающим элементом, созданным непосредственно самой конструкцией насыпи, что в итоге может привести к повышению общей устойчивости конструкции высокой насыпи в целом.

к = 0,3 к = 0,35 к = 0,45

Мах: 1,214 Мах: 1.089 Мах: 0.743

п 1.2 п п

0,7

„ 0.6

0.8

0.8 - - 0.5

0.7

■ - 0.6 - - 0.4

- ■ 0.6

■ ■ 0.5

- ■ 0.3

0.4

- - 0.4

„ 0.2

-- 0,

0,

_ _ _ о

М1п: 0

М1п: 0

М1п: О

Рис. 1. Величина осадки высокой насыпи в зависимости от значения коэффициента Пуассона

Касательные напряжения, МПа — —

I_I

Рис. 2. Линии влияния касательных напряжений при к = 0,35

При величине коэффициента Пуассона - 0,45 величина бокового расширения составила 0,453 м, что связано с переуплотнением конгломерата во времени за счет увеличения собственного веса конструкции, нарастание внутренних напряжений и, как следствие, появление трещин на откосах насыпи, что, в итоге, приводит к потере общей устойчивости конструкции в целом.

Анализ результатов распределения касательных напряжений в моделируемой конструкции высокой насыпи в зависимости от величины к свидетельствует о следующем . При величине к = 0,3 касательные напряжения распределяются в теле высокой насыпи следующим образом: по оси насыпи возникают наименьшие касательные напряжения равные 0,007 МПа и гасятся в теле насыпи; на откосах насыпи со значительной площадью распределения возникают касательные напряжения величиной 0,77 МПа, что и объясняет выдавливание материала на откосах высокой насыпи; максимальные касательные напряжения (1,54 МПа) возникают у подошвы высокой насыпи и, судя по характеру приложения, выполняют роль удерживающих сил.

Анализ характера касательных напряжений в теле насыпи при к = 0,35 (рис. 2) показал, что в конструкции высокой насыпи происходит равномерное распределение сдвигающих напряжений по оси насыпи, равных 0,001 МПа, что приводит к сглаживанию воздействия касательных напряжений и затуханию их в теле насыпи. Площадь приложения касательных напряжений уменьшается за счет плотности материала, по сравнению с к = 0,3, а величина касательных напряжений увеличивается всего на 0,1 МПа, что свидетельствует об уменьшение влияния касательных напряжений при увеличении к. Однако, максимальные касательные напряжения (1,74 МПа) возникают также у подошвы высокой насыпи и выполняют роль удерживающих сил.

В отличие от значений к=0,3 и 0,35 для к=0,45 характерно увеличение величины касательных напряжений по оси насыпи и составило 0,011 МПа, а также характера

приложения касательных напряжений, которые распределены по откосу насыпи. Из полученных результатов видно, что на откосе высокой насыпи в области выпучивания возникают напряжения величиной 1,077 МПа и при своей достаточно малой площади приложения создают горизонтальные перемещения величиной 0,453 м. Скорее всего такой характер горизонтального перемещения связан еще и с тем, что максимальные значения касательных напряжений - 2,19 МПа, также приложены к откосу высокой насыпи непосредственно у подошвы насыпи и, как следствие, выполняют функции сдвигающих напряжений.

Анализ результатов моделирования прочности и устойчивости конструкции высокой насыпи в зависимости от собственного веса насыпи и значения коэффициента Пуассона позволяет сделать вывод, что синтезированный грунтоизвестковый композит является оптимальным для строительства прочных и устойчивых конструкций высоких насыпей.

В результате изучения данных моделирования устойчивости высокой насыпи была получена квадратичная зависимость изменения плотности грунтоизвесткового конгломерата в зависимости от высоты насыпи:

у = -0,35г2 + 36г + 2060 ,

где z - высота насыпи.

Результаты анализа данных моделирования прочности и устойчивости конструкции высокой насыпи на основе грунтоизвестковго конгломерата позволили получить следующее: установлен характер влияния собственного веса конструкции на прочность и устойчивость высокой насыпи; показано незначительное воздействие на прочность и устойчивость высокой насыпи динамической и статической нагрузок от транспорта, а также влияния внешних факторов; выявлен характер влияния коэффициента Пуассона, а, следовательно, состава самого конгломерата на прочность и устойчивость высокой насыпи; предложена математическая зависимость

изменения плотности грунтоизвесткового композита в зависимости от высоты насыпи.

Таким образом, синтезированный грунтоизвестко-вый композит на основе глинистой горной породы естественного залегания с числом пластичности 20 и низкоактивных известьсодержащих отходов с содержанием активных оксидов CaO и MgO 27-35% позволяет получать устойчивые конструкции высоких насыпей земляного полотна автомобильных дорог, за счет равномерного самоуплотнения структуры и получения в итоге конструкции оптимальной прочности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Строкова В.В., Яковлев Е.А. Грунтоизвестковый композит для создания устойчивых конструкций высоких насыпей автомобильных дорог // Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов: Материалы Международной научно-практической конференции. - Йошкар-Ола, 2004. С. 94 - 98.

2. Инструкция по применению грунтов, укрепленных вяжущими материалами, для устройства оснований и покрытий автомобильных дорог и аэродромов. СН 25-74. - М., Стройиздат, 1974. - 128 с.

3. Femlab. Version 2.3.0.145. - Copyright (c) 1994-2002 by COMSOL AB, 10-Jun-2002. - 485 р.