Применение технологий авиастроения в методах расчета и монтажа полимерных дорожных сеток. . Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 685.731.7

А.В. КОЧЕТКОВ, д-р техн. наук, академик транспорта, ФГУП «РОСДОРНИИ» (Москва); Р.М. ЯНАБАЕВ, директор по развитию, М.А. БУШУЕВ, инженер, ОАО «ВАТИ» (г. Волжский, Ставропольский край);

М.В. СТЕПАНОВ, главный инженер проекта ООО «М-Дорсервис» (Москва )

Применение технологий авиастроения в методах расчета и монтажа полимерных дорожных сеток

К доминирующим факторам нарушения устойчивости и накопления поврежденности дорожных и аэродромных конструкций относятся сдвиговые и температурные деформации, интенсивность и состав транспортного потока, периодические внерасчетные посадки тяжелых транспортных самолетов, переувлажнение грунта, накопленные поврежденности.

Эффективным инструментом их решения является применение геосинтетических материалов и изделий на этапах строительства и реконструкции автомобильных дорог, а также наземной транспортной инфраструктуры аэропортов и аэродромов [1, 2]. Геосетку применяют для армирования грунтов как средство берегоукрепле-ния и противоэрозионной защиты.

Новым является выбор и управление состоянием различных современных геосинтетических материалов и изделий при реализации внедрения в укрепляемые среды. Разделяют задачи укрепления откосов автомобильных дорог и дорожных покрытий.

Использование инкрементальности, т. е. расчета в приращениях перемещений, позволяет процесс деформирования укрепляемой среды, например среды грунт-жидкость, описать последовательностью состояний равновесия ¿0, ¿1,..., Бп, ¿п+1,..., ¿у, где ¿0 — исходное, например естественное, природное, состояние среды. В природном состоянии среда имеет естественную влажность и природное давление; ¿у — конечное состояние, для которого решаются задачи определения напряженно-деформированного состояния; ¿п — произвольное промежуточное равновесное состояние с известными параметрами внешнего и внутреннего процесса: уровень приложенных нагрузок, уровень деградации среды, тензоры напряжений и деформаций в точках среды, вектор перемещения точек объема. Также считаются известными состояния ¿1,., ¿п-1. Каждое состояние называется шагом процесса. Теория подробно разработана в Саратовской школе механиков профессора В.В. Петрова.

На основе информации об известных состояниях ¿п и найденных приращениях А^п+1 шага получают переменные состояния ¿п+1. Алгоритм вычисления выполняет роль дискретизации непрерывной математической модели процесса деформирования.

Полагают, что воздействие увлажнения среды таково, что это приводит к увеличению деформаций по объему среды при неизменных напряжениях. Дополнительные деформации, вызванные увеличением сжимаемости увлажненной среды, приводят к снижению ее прочностных характеристик. Для среды грунт—жидкость применяется идеализация аналогично применяемой в теории пластичности. Вводится обобщенная диаграмма напряжения среды, представляющая собой

функциональную зависимость интенсивности напряжений от интенсивности деформаций для любого уровня напряжения:

° = о (е), (1)

где в1 — напряженное состояние в « ;».

Имеется непрерывно зависящее от уровня напряжений семейство вложенных поверхностей деформирования, занимающих объем, каждая точка которого соответствует определенной совокупности четырех параметров о, , ег , стэ , С, где стэ — напряжение или его эквивалент, при котором происходило взаимодействие среды основания с процессом увлажнения. В любой момент процесса деформирования компоненты девиатора напряжения о^ пропорциональны компонентам девиа-тора деформаций ф коэффициент пропорциональности представляет собой функцию, заданную диаграммой деформирования среды о = о(е) : о ф = X ¡¡, где X — коэффициент пропорциональности.

Для средних (гидростатических) напряжений и деформаций имеем:

о = 3Ке,

где К — объемный модуль, не зависящий от напряженно-деформированного состояния в точке; е — напряженное состояние.

Определяющие соотношения для деградационных функций опираются на общие законы, применяемые при феноменологическом моделировании, поэтому их структура не зависит от конкретных свойств процесса и материала среды. Уравнения состояния среды в теории наведенной неоднородности определяются на основе данных экспериментального исследования среды по влиянию увлажнения на ее деформационные свойства. Рассматривается гипотеза несжимаемости. Используются функции деградации ф 1 ( '=1,2,...,м) среды, вводимые в диаграмму деформирования среды о1 (е, ф1,., фт). Тогда пропорциональность девиаторов деформаций и напряжений имеет вид = , причем коэффициент X, являющийся коэффициентом пропорциональности, выражается через секущий модуль диаграммы деформирования Ес; S — деформация напряжений.

з JЕ-.

Переходя к приращениям, имеем Asц = ДХе1}. + ХДе ц. Определяется выражение для ДХ:

ДХ = -

3

Ек - ЕС <£_Де

е, de,,

1 d2i

ei Зфм

'ДФ m

(2)

(3)

(4)

где Ek — касательный модуль диаграммы деформирования.

'^Г^Р^ГГ "JJijrJbJ" научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

(Щ&З^ШУ® октябрь 2010

Колесо транспортного средства V

Гдг

3>0

ф

5а

Рис. 1. Геометрический анализ расчетной схемы деформирования горизонтальных линий полупространства дорожного покрытия:Дг - граница полупространства, Д0 - нулевая линия, Да - линия работы арматуры

Группируя члены с приращениями деформаций, получаем:

As„ =-L 3

ЕК - ЕС 2_e e + E SS |Ae + eJL_^Аф е, 3e ^ + Ec5k5jl kl + e, ЭФи Фм

, (5)

где

j = 2

Jkij = з

—————еи eL + EC 5 k 5 „

е 3e l C ,k l1

f =

* Acpm

Уравнения состояния среды получаются в виде:

Ч = -ГцнАем + / , где / и / — обобщенные функции.

Уравнения состояния могут быть решены относительно приращений деформаций:

= Л,щ+ 0„ . (6)

Последние уравнения похожи на уравнения состояния в теории пластичности.

Однако в теории пластического течения считается, что материал остается однородным, а в теории наведенной неоднородности 1щ не является изотропным тензором четвертого порядка: среда меняет свои деформационные свойства. Коэффициенты зависят от нагруже-ния, деградации свойств и от текущих значений напряжений в точке.

Для анализа расчетной схемы взаимодействия дорожного покрытия, укрепленного геосеткой, применяют предположения и гипотезы.

1. Колесо транспортного средства движется со скоростью V по дорожному покрытию. Геометрический анализ расчетной схемы деформирования горизонтальных линий полупространства дорожного покрытия представлен на рис. 1. На упругопластическое полупространство воздействует сосредоточенная нагрузка Р.

2. Горизонтальные слои испытывают вертикальный прогиб Д и деформации гибки с растяжением через опору (колесо транспортного средства). В упрощенном случае принимаем равенство или соответствие типовому закону деформаций прогиба границы полупространства (поверхности дорожного покрытия Дг), нулевой линии

Д0 и линии работы арматуры Да. Линия деформируемой поверхности дорожного покрытия испытывает сжатие — относительное сокращение размеров бг т. е. отрицательные относительные деформации. Нулевая линия не испытывает деформаций растяжения-сжатия б0=0. Линия работы арматуры испытывает относительные деформации растяжения ба; ф — угол наклона деформированного состояния линии работы арматуры к исходному.

Анализ схемы взаимодействия колеса транспортного средства и дорожного покрытия позволяет перейти к близкому аналогу — модели гибки с растяжением балки через центральную точечную опору. Линии гибки с растяжением через центральную точечную опору изображены на рис. 2.

При гибке с растяжением балки длиной 2Ь через центральную точечную опору балка подвергается предварительному растяжению силами Р и последующему изгибу силами (). Очевидно, что деформация балки будет зеркально симметричной относительно центральной опоры, поэтому будем рассматривать только одну ее половину; в этом случае система сводится к изгибу с растяжением консольной балки с заделанным концом (рис. 2, 3).

В пределах малых деформаций угол поворота сечения, если пренебречь деформацией сдвига, имеет вид:

е = аУ, йг

где кривая у(г) определяет положение осевой линии изогнутой балки, следовательно:

., . йе й2у (7)

к (г)=-г=-рт , (7)

йг йг

где к(г) — кривизна по длине балки.

При условии, что созданные силой Р напряжения предварительного растяжения выводят материал в зону наступления пластических деформаций и по всему сечению заготовки напряжения сжатия при изгибе не превышают предела упругости, зависимость кривизны заготовки от изгибающего момента можно представить в виде:

М (г)

k (z) = -

х

(8)

(9)

где X — параметр, характеризующий свойства материала заготовки и геометрические параметры поперечного сечения балки.

С учетом (1) и (2) дифференциальное уравнение осевой линии балки имеет вид:

dy = Mz)

dz2 X '

Выразим изгибающий момент M(z) через силы P и Q (рис. 2):

M (z) = (L - z )(Q cos^) - P ¡яп(Аф)), (10)

где

Аф = ф^) -фA = arcsin ^ y'A- y(z) j- arcsin ^y-yA — перемещение конца балки — точки A: yA=y(L).

L ~ ~~ y(z) ^Т--ф A \ Аф ф(1)

N B z

Рис. 2. Линии гибки с растяжением через центральную точечную опору, где: Р - растяжение; О - изгибающие силы

Рис. 3. Линии гибки с растяжением балки длиной 2L через центральную точечную опору, где: 0 — угол поворота сечения; ф — угол наклона

Q

У

P

P

O

O

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (Q'ff ZiWÍ^Jlziribi^

октябрь 2010 SWsWlAJJiif

Считая углы относительно малыми, принимаем 8т(х)=х, агс8т(х)=х, тогда выражение (4) приводится к виду:

м и)=(£ - г ^ - р ( Ул=Ш - а

Подставив (5) в (3), получим:

"Ул - У) _ Уа

^2у (А - - Р [ А - <

(11)

(12)

Решая это уравнение с учетом начальных условий (У(0)=0, у'(0)=0), получим:

^ №1:

у-) = Т + р

Ы+ Ые

е Я) У ды?+уАр4%+Ьф

2РЬр

.(13)

Принимая во внимание, что уЛ=у(А), решим (13) для уЛ:

Уа =

Ы?(ЬР)-))е

ЫР)

■ ЫР)+)

р)

(14)

-1

Подставив это выражение в (13), получим уравнение осевой линии изогнутой балки:

, ч АО У(г) =-р-

1 + е

А?

-1+-

.(15)

Кривизна балки по ее длине:

й 2У

"йг2

следовательно, продифференцировав выражение (9) дважды, получаем:

LQ

Ч ,1. (с

(16)

График прогиба осевой линии балки

у, м 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02

0

К, 1/м

2

1,5

1

0,5 0

K, 1/м 1

0,8 1 Z, м

Графики кривизны балки

а

О, 0,2

0,4 0,6

б

0,8 1 Z, м

Выражение (16) определяет значение кривизны в нагруженном состоянии того слоя изогнутой балки, который задается формулой (8).

При вычислительном эксперименте были получены результаты, вполне соответствующие процессу гибки с растяжением балки через неподвижную опору с постоянным радиусом кривизны (рис. 4).

Проведенные в дорожном хозяйстве широкомасштабные исследования прочности грунтов в различных регионах позволили установить характер зависимости между прогибом покрытия и модуля упругости, близком к линейному (обратнопропорциональный). Например, воздействие на поверхность покрытия осуществляется через жесткий штамп с площадью, равной отпечатку следа расчетного автомобиля.

Ряд методик расчета и оценки прочности дорожных одежд адаптирован к учету геометрии чаши прогиба дорожной конструкции. Результаты экспериментальных исследований показали, что наиболее близко очертание чаши прогиба (значение прогиба в рассматриваемой

1

Z, м

Рис. 4. Графики прогиба оси балки для гибки с растяжением через центральную точечную опору

точке) описывает полиномиальная зависимость пятого порядка от текущей координаты (расстояние от центра штампа до рассматриваемой точки). Коэффициенты аппроксимирующих функций определяются с помощью компьютерных программ.

Очертание чаши прогиба с увеличением числа приложений изменяется. Учеными МАДИ установлено, что эта тенденция оказалась достаточно общей. Типовые соотношения между модулями упругости и радиусами кривизны позволяют перейти от силовых параметров к метрическим и решать геометрическую задачу в приращениях перемещений (в деформациях).

Специалистами ОАО «ВАТИ» в качестве концептуальной идеи изготовления и применения геосинтетических материалов и изделий был принят принцип технологии авиастроения и судостроения — производство узлов и компонентов с учетом математической модели конечного изделия (самолета, ракеты, корабля) и их формообразования в приращениях перемещений, реализующих относительные технологические деформации.

Это позволило с учетом собственного многолетнего опыта изготовления строительных материалов выбрать в качестве средств производства технологию и оборудование немецких фирм «Карл Майер Текстильмашинен-фабрик Гмбх» и «Карл Менцель Машиненфабрик Гмбх и Ко». Например, это оборудование позволяет после оттяжки материала основовязаного полотна подавать его на пропитывающую установку без процесса намотки, который часто сопровождается накоплением повреждений. Это дает реальную возможность обеспечить устойчивость к деформациям, связанным с различными ви-

+

©ГЯ^ГГ"/!^!::/!" научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

(щаШ^ШШГ октябрь 2010 21"

дами относительных перемещений на последующих этапах жизненного цикла изделия.

Геосетки АГМ-дор и АГМ-Грунт производства ОАО «ВАТИ» обладают свойством отсутствия люфта, при распределении легко приобретают плоскую форму или требуемую форму укрепляемой поверхности, из-за использования немецкой пропитки органичны с укрепляемой средой, могут изгибаться с растяжением, обтягивать непрямолинейные поверхности, поверхности со знакопеременной кривизной. После их монтажа не требуется технологической операции калибровки. Применение геосеток также позволяет эффективно решить задачу выравнивания гидростатического давления в дорожных покрытиях ездового полотна мостовых сооружений.

Новыми возможностями обладает композиционный материал АГМ-Композит в виде нетканого полотна, усиленного сеткой из полиэфирных нитей. В качестве уникального предложения в виде производства изделий двойных технологий могут быть поставлены геосинтетические материалы из кевлара, а также других современных материалов по желанию заказчика. Принципы работы этого материала тождественны особенностям формообразования и ремонта объемных и силовых элементов самолета (объемная обтяжка, плоская гибка с растяжением).

Разработанный стандарт организации [1] распространяется на методы монтажа полимерных сеток дорожных марок АГМ-Дор (П), предназначенных для применения в качестве армирующего материала асфальтобетонных покрытий при ремонте и строительстве дорожных одежд и автомобильных дорог. Условия применения полимерных дорожных сеток в конструкции дорожной одежды определяются проектными решениями. Сетки вырабатывают из полиэфирных волокон, расположенных в продольном и поперечном направлении с прошивкой и последующей пропиткой.

Сетка должна соответствовать требованиям [3], в частности по физико-механическим показателям, указанным в таблице.

Возможно производство геосетки другой структуры: других размеров ячейки и массы единицы площади. Геосетка должна вырабатываться шириной 540 см с допустимым отклонением ±2% от установленной ширины. По согласованию с потребителем, возможно изготовление геосетки другой ширины. Геосетка должна быть намотана в рулон на валики, гильзы или без них. Длина

Наименование показателей Марка геосетки

АГМ-дор (П) 50/50-40

Разрывная нагрузка, кН/м, не менее: продольные нити поперечные нити 50 50

Удлинение при разрыве, %, не более: по продольным нитям по поперечным нитям 13 13

Размеры ячеек, мм 40X40

Ширина, см 540+10

Потеря прочности при проверке морозостойкости (25 циклов замерза-ния-оттаивания),%, не более 10

Водостойкость после 8 ч кипячения в воде, %, не более 4,5

Адгезионная способность битумного вяжущего к пропитанной сетке, %, не менее 0,98

сетки в рулоне 200 п. м. По согласованию с потребителем допускается намотка геосетки другой длины.

Конструкция укрепления откосов из геосетки служит для противоэрозионной защиты и обеспечения устойчивости откоса. Она представляет собой сплошной ковер из геосеток, засыпанных заполнителем (песком, пескогравийной смесью, смесью песка и щебня, щебнем, растительным грунтом).

Назначение геосеток, геотекстиля или другого геосинтетического материала для укрепления откосов зависит от характеристик поверхностных вод, воздействию которых может подвергнуться конструкция укрепления откоса. Оценка водопроницаемости подстилающего грунта и возможность оплывания подтопленных откосов необходима с точки зрения общей устойчивости откоса.

Анализ устойчивости конструкции укрепления на откосе включает определение составляющих статических и динамических сил, действующих на арматуру, а также распределение анкерных стержней. Решаемой задачей является повышение несущей способности укрепляемых грунтовых поверхностей за счет обеспечения работы геосетки в относительных деформациях гибки с растяжением, а также уменьшение риска недостижения требуемого срока службы возводимых сооружений.

Особенностью применения геосетки является то, что если ее при монтаже не переводят в преднапряженное состояние для работы в верхней зоне упругих деформаций, то она может испытывать люфт и укрепленная поверхность начинает без механического взаимодействия испытывать накопление повреждений даже при обычных рабочих нагрузках. Однако преднапряжение расчетной силой неэффективно из-за вариации размерно-механических параметров сетки. Поэтому ее необходимо преднапрягать не расчетной силой, а путем выполнения расчетной относительной деформации в диапазоне 0,5—1% относительного удлинения шва.

Способ монтажа геосетки включает подготовку поверхности переменной кривизны, растяжение геосетки до проектных размеров и крепление монтажными анкерами к поверхности по всему периметру, отличающегося тем, что растяжение осуществляется по приращениям перемещений на величину относительной деформации 0,1—2%, а распределение геосетки на поверхности производят путем пространственной гибки с растяжением, причем гибку с растяжением проводят по координатному или силовому замыканию, а после гибки с растяжением проводят калибровку путем дополнительного растяжения на величину относительной деформации нитей геосетки 0,1—1%.

При распределении конструкции геосетки на поверхности путем гибки с растяжением образуется равномерно распределенный по непрерывной поверхности сеточный каркас, предназначенный для фиксации наполнителя (грунт, песок, щебень и т. д.).

В процессе эксплуатации рекомендуется проводить мониторинг состояния укрепленной поверхности и геотехнической арматуры, проводить мероприятия по обеспечению требуемых характеристик для них.

На первом этапе предстоит правильно разбить участок и выполнить все земляные работы. Производится планировка поверхности откоса с использованием механизмов или ручного инструмента — лопат, скребков-гладилок и т. д. Рекомендуется использовать монтируемые тросовые ковши-планировщики. Перед установкой геосетки следует устранить поверхностные неровности грунта, выровнять поверхность и, если потребуется, расстелить дренирующую прослойку из нетканого геотекстиля. Если почва соответствует хорошим геотехническим условиям (гравий, уплотненные

www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал (""ЭЙ ^ Г Г Iг ! 13

"~22 октябрь 2010

пески, щебень), то можно уложить геосетку непосредственно на поверхность. Анкеры устанавливают по контуру каждого элемента геосетки для обеспечения ее правильного растяжения в виде прямоугольника. Если откос отсыпной, производят уплотнение верхнего слоя с помощью ручного катка или виброплиты.

Модули геосетки разворачивают и фиксируют по периметру. В верхней части откоса геосетка должна выходить на горизонтальную поверхность (минимально на 0,5 м от бровки) и заглубляться относительно верхней нулевой отметки. При правильном натяжении типовой модуль геосетки имеет несколько большие размеры, чем исходные.

При процессе монтажа сначала фиксируют анкерами верхнюю сторону. После этого бригада рабочих одновременно натягивает геосетку по касательной к укрепляемой поверхности, после чего всеми рабочими геосетка обтягивается (процесс гибки с растяжением) относительно укрепляемой поверхности. В конечном (натянутом) положении геосетку фиксируют по нижнему краю. После этого ее натягивают и фиксируют анкерами с боков. Соединение соседних геосеток производят с помощью пневмостеплера или укреплением их общими анкерами.

При установке геотехнической арматуры выполняют контрольные операции: проверяют равномерность натяжения отдельных сеток; производят контроль параллельности сторон модулей; контролируют отсутствие пустот под геосеткой (плотное прилегание к поверхности откоса).

Применяют грунт, щебень морозостойкостью не ниже М200. Так как сегменты геосетки очень легкие, их можно переносить вручную, быстро передвигать и распределять по подготовленной поверхности.

Засыпка геосетки может быть выполнена с помощью обычного оборудования — погрузчиков, бульдозеров и экскаваторов с обратной лопатой. Запрещается движение тяжелой техники до уплотнения заполнителя при укладке геосетки на нестабильное земляное полотно. Способность системы распределять нагрузку значительно возрастает при обеспечении однородного уплотнения. После засыпки геосетки часть монтажных анкеров может быть извлечена, остальные выполняют функцию несущих.

При уплотнении размер и тип уплотняющего оборудования назначают в зависимости от несущей способности грунта земляного полотна.

Методы уплотнения должны быть определены в начале работы, для того чтобы установить оптимальный первоначальный уровень засыпки и объем работ для достижения требуемой плотности заполнителя. Минеральный материал может быть уплотнен вручную или с помощью трамбующей плиты а также с использованием обратной стороны гладкого ковша.

Чрезмерное уплотнение заполнителя может замедлить процесс развития растительности. Поддержание влажности, близкой к оптимальной, обеспечит максимальную плотность. Сразу же после укладки засыпного материала необходимо произвести посев и уложить временные противоэрозийные экраны (покрытия). Нетканый геотекстиль плотностью 150—300 г/м2 рекомендуется применять в качестве подстилающего слоя для предотвращения размыва укрепляемого грунта.

Рекомендуется устраивать нагорный водоотвод в районе верхних анкеров, установить водосбросные лотки, если предусмотрено проектом. Необходимо обеспечить защиту подошвы откоса от размыва. Концентрированный сток поверхностных вод может привести к образованию размывов в материале заполнителя, если гидродинамические усилия являются достаточно высокими. Не рекомендуется использование самосвалов с

кузовом, опрокидывающимся назад, или допускать падения мелкого минерального материала с высоты более 1 м или крупного минерального материала с высоты более 0,5 м. Грунт равномерно распределяется механизированно или вручную, сверху вниз по откосу.

Укладку пластиковой геотехнической арматуры производят вручную, работу проводят сверху вниз. Арматуру растягивают до проектных размеров и крепят монтажными анкерами к поверхности по всему периметру.

Следующую арматуру растягивают и присоединяют вплотную к первому. Ребра последующей арматуры соединяют с предыдущими при помощи скреп.

Укладку наполнителя в ячейки пластиковой геотехнической арматуры выполняют с помощью ковшовых погрузчиков или экскаваторов. Засыпной материал при укладке должен быть выше поверхности сетки на 3—5 см.

Рекомендуется проводить мониторинг состояния укрепленной поверхности с выполнением необходимых работ по восстановлению ее эксплуатационных характеристик. Предполагается, что растительный покров полностью сформируется до воздействия расчетного стока поверхностных вод.

Техническим результатом является возможность получения укрепленной дорожной или грунтовой поверхности, а также повышение качества проектирования, изготовления и монтажа геосетки, что обеспечивает повышение несущей способности укрепляемых грунтов в зависимости от вида грунта и типа сооружений, а также уменьшает риск недостижения требуемого срока службы возводимых сооружений.

Ключевые слова: полимерные дорожные сетки, методы монтажа, накопление поврежденностей, относительные деформации, приращения перемещений, гибка срастя-жением, инкрементальная теория наведенной неоднородности.

Список литературы

1. ОДМ. Рекомендации по применению геосинтетических материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог. М.: РОСАВТОДОР, 2003.

2. Типовые решения по восстановлению несущей способности земляного полотна и обеспечению прочности и морозоустойчивости дорожной одежды на пучи-нистых участках автомобильных дорог. Российское дорожное агентство. М.: РОСАВТОДОР, 2000.

3. СТО 00149363-3115-2010 Сетки полимерные дорожные марок АГМ-ДОР(П). Методы монтажа. г. Волжский, Ставропольский край: ОАО «ВАТИ», 2010. 13 с.

ПОДПИСКА

и О О /IС Т о п и и и Ш О С О Г* 111.Г1 мм ли.ип ииили >_"_|1_И1и

журнала «Строительные материалы»®

Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru

Л] : : ® октябрь 2010 23""