CC BY
43
УДК 625.731.2:624.138.2
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЩЕБЕНОЧНО-ПЕСЧАНОГО ОСНОВАНИЯ, АРМИРОВАННОГО СТАЛЬНОЙ ГЕОСЕТКОЙ
С. А. Матвеев, Н. Н. Литвинов
Аннотация: В работе проведены штамповые испытания оснований из щебня и песка, армированных стальной сеткой. Получены деформационные характеристики оснований, установлена эффективность армирования и выявлены закономерности деформирования армированных щебеночно-песчаных конструкций.
Ключевые слова: стальная георешетка, основание, модуль упругости, эффективность армирования.
Введение
В настоящий момент получила широкое распространение практика армирования оснований дорожных одежд [1-4]. Согласно [5], общий модуль упругости армированной дорожной одежды определяется умножением общего модуля упругости неармированной конструкции на коэффициент усиления. Проведенные ранее штамповые испытания проводились преимущественно с использованием геосинтетических материалов на полимерной и стекловолоконной основе. Коэффициент усиления таких материалов в большинстве случаев не превышает 1,15. С появлением новых георешеток, армирующим материалом которых является сталь, вопрос эффективности армирования вновь становится актуальным.
В настоящей работе исследуется характер деформирования основания и развития напряжений в массиве из щебня и грунта, армированном плоскими стальными сетками. В работе рассматривается двухслойная система. Верхний слой представляет собой щебень наиболее распространенных фракций. Нижний подстилающий слой - песок.
500
Эксперимент проводился в грунтовом лотке размерами 1,82х1,69х1,61ф) м. В качестве испытательной среды применялся песок сухой мелкий с плотностью частиц 2,65 г/см3 для нижнего слоя. Для верхнего слоя испытание проводилось по двум вариантам: для щебня фракции 20-40мм толщиной слоя 20см, была выбрана стальная геосетка размером ячейки 50х50мм; для фракции щебня 40-70мм толщина слоя составила 20см, типоразмеры применяемой сетки - 50х50, 75х75, 100х100мм. Расчетная схема приведена на рисунке 1.
Армирующий материал представляет собой стальную геосетку прядями по 6 проволок диаметром 0,6мм в полиэтиленовой защитной оболочке [6]. Размеры сетки в плане - по размеру лотка. Армирующий материал укладывался на границу раздела слоев.
Нагружение осуществлялось по геометрическому центру в плане через штамп размерами 0,5х0,4м, нагрузка прикладывалась через гидравлический домкрат ступенями по 5кН и достигла 50кН.
/_
м | у
ЩеВень фракции 40-70
М
а=250кПа
Песок сухой мелкий
Стальная сетка 50x50,75x75, ЮОхЮОнн
777-777"
7
77"
то
Ч-А
Рис.1. Схема испытания
Основная часть
За критерии эффективности армирования были приняты прогиб и модуль деформации (упругости). Сравнение результатов испытания идентичных конструкций с армированием и без такового, показывает значительное повышение деформативных характеристик армированного материала. Особенно сильно влияние армирования проявляется в тех сочетаниях конструкций, в которых соотношение размера ячейки сетки к размеру фракции щебня находится в определенных пределах, обеспечивающих надежное заанкеривание в ячейке.
Модуль деформации определяется [7]:
Ео =
юЬ(1-ц2 )Др Дs
где ы - коэффициент, принимаемый 0,965 для жесткого штампа 0,5х0,4м. Ь - меньшая сторона штампа, м
Др - разность давлений под штампом,
кПа
Дs - разность осадок штампа.
Модуль упругости определяется аналогично модулю деформации с тем отличием, что разность осадок принимается по ветви разгрузки.
Первая серия экспериментов проводилась только для слоя песка с целью определения его модулей деформации и упругости. Далее слой песка разрыхлялся, уплотнялся до аналогичной степени уплотнения и отсыпался слой щебня толщиной 0,2м и также уплотнялся.
Вторая серия экспериментов проводилась для неармированной конструкции. Определялся прогиб и вычислялись деформационные характеристики. Диаграмма деформирования представлена на рисунке 2.
250
100 150 200 Давление, кПа
■ Нагрузка —А—Разгрузка
Ед=45 МПа Еу =195 МПа
300
Рис. 2. Диаграмма нагружения системы «щебень+песок» фракции 40-70 мм без армирования
Третья серия испытаний проводилась для армированных конструкций. При этом наблюдается качественное отличие диаграмм деформирования армированных конструкций. Так для основания с фракцией щебня 2040мм и ячейкой армирования 50х50мм (рис.3.) наблюдается петля гистерезиса с практически линейной зависимостью «де-формации-нагрузка» на участке загружения 15-50кН. Такой характер деформирования свидетельствует о включении в работу стальной сетки, для которой характерна работа в упругой стадии.
Для конструкций с фракцией щебня 4070мм и соответствующим армированием си-
туация не так однозначна, общим для этих конструкций можно выделить повышение де-формативных характеристик. Наиболее характерна работа конструкции с ячейкой армирования 75х75мм (рис. 4.), близкой к оптимальной. Для ветви нагрузки характерна линейная зависимость, что обуславливается влиянием стальной сетки. Разность осадок по ветви разгрузки существенно меньше неар-мированного аналога, что является следствием увеличившегося модуля упругости.
Результаты испытаний представлены таблицами 1 и 2.
Нагрузил, кн
Рис. 3. Диаграмма нагружения системы «щебень + песок» фракции 20-40 мм с армированием сеткой 50х50мм
80
70
2 60
£
м
6 50
оГ 40
I 30 % ™
О.
с 10
0 -10
—ш— Нагрузка А Разгрузка
Ед=127 МПа Еу =798 МПа
300
Давление, кПа
Рис. 4. Диаграмма второго нагружения системы «щебень + песок» фракции 40-70 мм с армированием 75х75мм
Таблица 1 - Сводная таблица результатов испытания конструкции с фракцией щебня 20 -40мм
Вид испытания Номер загру-жения Максимальный прогиб системы, мм Модуль деформации, МПа Модуль упругости, МПа Среднее значение прогиба, мм Среднее значение модуля деформации, мм Эффект армирования по прогибу, % Эффект армирования по модулю дефор-мации,%
Песок 1 0.98 89 187
Песок 2 0.89 98 187 0.935 93.5 - -
Щебень+песок 1 2.03 43 63
Щебень+песок 2 1.2 73 114 1.615 58 - -
Щебень+ пе-сок+ армирование 1 0.78 113 166
Щебень+ пе-сок+ армирование 2 0.76 116 166
Щебень+ пе-сок+ армирование 3 0.74 119 163 0.76 116 52.9 100
Таблица 2 - Сводная таблица результатов испытания конструкции с фракцией щебня 4070мм
Вид испытания Загру-жение Максимальный прогиб системы, мм Модуль деформации, МПа Модуль упругости, МПа Среднее значение прогиба, мм Среднее значение модуля деформации, мм Эффект армирования по прогибу, % Эффект армирования по модулю деформации, %
Песок 1 0.67 131 214 0.655 134
Песок 2 0.64 137 209
Щебень + песок 1 1.95 45 195
Щебень +песок 2 1.13 78 199 1.69 55.7 - -
Щебень + песок 1 1.99 44 133
Щебень + песок + армирование 50х50 1 1.72 51 176 1.355 70 19.8 25.7
Щебень + песок + армирование 50х50 2 0.99 89 169
Щебень + песок + армирование 100х100 1 1.11 79 214 0.97 92.5 42.6 66.2
Щебень + песок + армирование 100х100 2 0.83 106 338
Щебень + песок + армирование 75х75 1 1 88 575 0.845 107.5 50.0 93.1
Щебень + песок + армирование 75х75 2 0.69 127 798
Эффект армирования по прогибу: •100%,
е =
V ^ ^
w
1 /
где w1 - максимальный прогиб неармиро-ванной системы,
W2 - максимальный прогиб армированной системы.
Эффект армирования по модулю деформации:
(
Е2 _ 1
V Е1 ,
Л
•100% ,
где Е1 - максимальный прогиб неармиро-ванной системы, Е2 - максимальный прогиб армированной системы.
Выводы
Исходя из проведенных экспериментов были выявлены закономерности деформирования дорожной конструкции. Для фракции щебня верхнего слоя 20-40 мм и соответствующей ячейке армирования 50х50мм очевидно практически линейное деформирование в диапазоне нагрузки 15-55 кН с характерной петлей гистерезиса по ветви разгрузки.
е =
Для фракции щебня верхнего слоя 4070мм и ячейкам армирования 50х50мм, 75х75мм и 100х100 мм характерно значительное повышение модуля упругости в особенности для ячейки 75х75 мм. Максимальный эффект армирования по прогибу составляет 50 %, что соответствует коэффициенту усиления 1.5 [1]. Таким образом, эффективность армирования зернистых слоев дорожных одежд стальными геосетками значительно выше их полимерных аналогов.
Библиографический список
1. Матвеев С. А., Сиротюк В. В. Использование геосинтетических материалов для армирования дорожных конструкций. Ханты-Мансийск, 2010. - 474 с.
2. Матвеев С. А., Литвинов Н. Н. Решение плоской задачи для армированной многослойной дорожной одежды // Вестник СибАДИ - 2012 . -№ 1 (23). - С. 44-46.
3. Матвеев С. А. Расчет многослойной дорожной конструкции с ортотропными слоями // Вестник СибАДИ - 2012. - № 2 (24). - С. 52-57.
4. Матвеев С. А. Моделирование и расчет многослойной армированной плиты на упругом основании // Строительная механика и расчет сооружений. - 2012. - № 3. - С. 29-34.
5. ОДМ 218.5-002-2008 " Методические рекомендации по применению полимерных геосеток (георешеток) для усиления слоев дорожной одежды из зернистых материалов "
6. СТО 30478650-001-2012. «Георешетка армирования РД».
7. ГОСТ 20276-85. «Грунты. Методы полевого определения характеристик деформируемости.»
DETERMINATION OF DEFORMATION CHARACTERISTICS OF THE CRUSHED-STONE-SAND BASIS REINFORCED BY A STEEL GEOGRID
S. A. Matveev, N. N. Litvinov
In this study we tested punching base of gravel and sand, reinforced with steel mesh. Obtained deformation characteristics grounds the established effectiveness of reinforcement and the regularities of deformation of reinforced crushed stone and sand structures.
Keywords: steel geogrid base, elastic modulus, the efficiency of reinforcement.
Bibliographic list
1. Matveev S. A., Sirotiuk V. V. The use of geo-synthetics for the reinforcement of road constructions. Hanty-Mansiisk, 2010 - 474s.
2. Matveev S. A., Litvinov N. N. The solution of the plane multi-layer reinforced pavement // Vestnik SibADI. - 2012. - № 1 (23). P. 44-46.
3. Matveev S. A. Calculation of road construction with multi-layer orthotropic layers// Vestnik SibADI. -2012. - № 2 (24). - P. 52-57.
4. Matveev S. A. Modeling and calculation of multilayer reinforced plate on elastic foundation // Structural Mechanics and payment structures. - 2012. - № 3. - P. 29-34.
5. ODM 218.5-002-2008 Guidelines application of polymer geogrids for enhancement layer roaB clothes granular materials.
6. STO 30478650-001-2012 "Reinforced geogrid RD"
7. GOST 20276-85. « Soils. Field methods for determining deformation characteristics».
Матвеев Сергей Александрович - доктор техн. наук профессор, декан ф-та АДМ СибАДИ. Основные направления научной деятельности: прочностные расчеты многослойных дорожных конструкций, расчеты мостовых и дорожных конструкций методами строительной механики и теории упругости. Общее количество опубликованных работ: 130.
Литвинов Н. Н. - Аспирант Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ).
УДК 624.05
МЕТОДЫ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО ПРОГНОЗИРОВАНИЯ
Ю. Е. Пономаренко, Е. В. Ступаченко
Аннотация. Данная статья посвящена анализу основных понятий научно-технического прогнозирования. Рассмотрены основные методики прогнозирования инженерно-технических решений.
Ключевые слова: метод, прогнозирование, тенденция, строительные машины.
