CC BY
26
СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ. ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ. ТЕХНОЛОГИЯ
И ОРГАНИЗАЦИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА. ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ. ИНЖЕНЕРНЫЕ ИЗЫСКАНИЯ И ОБСЛЕДОВАНИЕ ЗДАНИЙ
УДК 626.17 DOI: 10.22227/2305-5502.2019.3.4
Результаты исследований объемных георешеток
Н.А. Зубачев1, И.М. Галимов2, А.В. Кузин2, О.А. Собина2
J ООО «ПРЕСТОРУСЬ»; г. Москва, Россия; 2 Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет
(НИУМГСУ); г. Москва, Россия
АННОТАЦИЯ
Введение. Защита поверхности склонов — часто встречающаяся проблема при строительстве большинства объектов дорожного, гидротехнического, железнодорожного строительства. Конструктивное решение защиты откосов должно быть технологичным, долговечным, простым и недорогим при монтаже и эксплуатации. При изучении методов защиты склонов от эрозионного воздействия с применением объемных георешеток была обнаружена проблема вымывания материала заполнителя из ячеек при воздействии потока воды. Актуальность исследования обусловлена широким применением при строительстве сооружений объемных георешеток, которые являются предметом исследования. Цель — разработка рекомендаций по выбору материала заполнителя объемных георешеток, изучение факторов, влияющих на эффективность удержания заполнителя.
Материалы и методы. Методика исследования заключалась в проведении комплекса теоретических (планирование экспериментов, традиционные статистические методы обработки информации, аналитические расчеты), а также экспериментальных работ в лабораторных условиях.
Результаты. На основе выполненных экспериментов выявлена высокая эффективности удержания крупного заполнителя (щебня) и мелкого (песка) объемной георешеткой при воздействии потока воды. Исходя из расчетов критических скоростей сноса частиц с откоса и расчетов устойчивости георешетки на откосе, получены предельные значения заложения откосов с объемными георешетками.
Выводы. Данные испытания позволили сделать выводы о том, что одной из ключевых причин обрушений откосов является неправильный выбор материала заполнителя. Разработаны методики подбора параметров объемной георешетки как для не подтопляемых, так и для подтопляемых откосов. Практическая значимость состоит в том, что разработаны научно-обоснованные рекомендации по выбору материала заполнителя объемных георешеток.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: гидротехника, геосинтетика, объемные георешетки, эрозия откосов, укрепление откосов
Благодарность. Авторы выражают признательность компании ООО «ПРЕСТОРУСЬ» и исполнительному директору М.М. Азарху за оказанную помощь при проведении данного исследования.
ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Зубачев Н.А., Галимов И.М., Кузин А.В., Собина О.А. Результаты исследований объемных георешеток // Строительство: наука и образование. 2019. Т. 9. Вып. 3. Ст. 4. URL: http://nso-journal.ru. DOI: 10.22227/2305-5502.2019.3.4
Results of studies of volumetric geogrid f „
__get
Nikita A. Zubachev1, Ilya M. Galimov2, Alexey V. Kuzin2, Olga A. Sobina2 11
1PRESTORUSLLC; Moscow, Russian Federation; f §
2 Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); V
Moscow, Russian Federation .
a
ABSTRACT s
Introduction. As part of the work on the study of methods of protection of slopes from erosion using bulk geogrid was U
found the problem of leaching the filler material from the cells under the influence of water flow. The relevance of the work W
is due to the widespread use of bulk geogrid structures in the construction, which are the subject of the study. The aim is to W
develop recommendations for the choice of the material of the filler volume geogrid. The objectives of the study are to study 3
the factors affecting the efficiency of retention of the filler. The practical significance lies in the fact that scientifically-based ^
© Н.А. Зубачев, И.М. Галимов, А.В. Кузин, О.А. Собина, 2019
1
recommendations on the choice of the filler material of bulk geogrids have been developed. For many years, the improvement of structures and the development of new solutions for the protection of structures from water erosion were carried out by various specialists in the field of hydraulic research of objects of hydraulic and transport construction, including: I. Levi, A. Guryev, N.In. Khanov, Yu.M. Kosichenko, K.D. Kozlov, W. Müller, O. Kief, Y. Schary and others.
Materials and methods. The method of research was to conduct a complex of theoretical and experimental work in the laboratory. Practical methods taking into account the specifics of the study include the implementation of experiments. Theoretical methods are associated with the planning of experiments, traditional statistical methods of information processing, analytical calculations.
Results. On the basis of the performed experiments high efficiency of retention of large aggregate (crushed stone) and small (sand) volume geogrid under the influence of water flow was revealed. Based on the calculations of the critical velocities of particle drift from the slope and stability calculations of the geogrid on the slope, the limit values of the slopes with bulk geogrids are obtained.
Conclusions. These tests have led to the conclusion that one of the key reasons for the collapse of the slopes is the wrong choice of filler material. In addition, the developed technique of selection of parameters of volumetric geogrid as to not flood prone and flood prone slopes.
KEYWORDS: gidrotekhnika, geosintetika, volumetric geogrid, erosion of slopes, consolidation of slopes
Acknowledgment. The authors express their gratitude to the company LLC "PRESTORUS" and to the executive director of M.M. Azarkh for the assistance rendered during the conduct of this study.
FOR CITATION: Zubachev N.A., Galimov I.M., Kuzin A.V., Sobina O.A. Results of studies of volumetric geogrid. Stroitel'stvo: nauka i obrazovanie [Construction: Science and Education]. 2019; 9(3):4. URL: http://nso-journal.ru. DOI: 10.22227/2305-5502.2019.3.4 (rus.).
П CO
ВВЕДЕНИЕ
Развитие транспортного строительства, в частности расширение и модернизация существующей автодорожной, а также железнодорожной инфраструктуры или строительство новой, возведение и реконструкция воднотранспортных гидротехнических сооружений увеличивается из года в год и сопровождается разработкой новых высокоэффективных методов и решений для удовлетворения высоких требований производства работ в сжатые сроки. Для достижения поставленных задач используются не только традиционные строительные материалы (щебень, песок, бетон и др.), но и современные материалы, выполненные из синтетического полимерного сырья, из которого изготавливаются различные геоткани, георешетки, являющиеся весьма эффективным конструктивным решением, в част-
ности для предотвращения размыва откосов [1-24].
Защита поверхности склонов — часто встречающаяся проблема при строительстве большинства ¿5 объектов дорожного, гидротехнического, железно-^ дорожного строительства. Склоны подвергаются ¡2 постоянным разрушающим воздействиям, так все ® откосы испытывают эрозионное воздействие осад-„в ков (рис. 1), откосы дамб — действие потока воды Ё Ц и волн, льда, откосы железнодорожных насыпей — со постоянные динамические нагрузки1. Под воздей-
1 СП 38.13330.2012. Нагрузки и воздействия на гидротехнические сооружения (волновые, ледовые и от судов). Актуализированная редакция СНиП 2.06.04-82*.
ствием такого количества нагрузок откосы быстро разрушаются и уже само тело насыпи (сооружения) начинает деформироваться. В связи с этими многочисленными трудностями конструктивное решение защиты откосов должно быть технологичным, долговечным, простым и недорогим при монтаже и эксплуатации [7]. По нашему мнению, таким решением являются конструкции с применением объемных георешеток.
Для проведения испытаний крупнейший производитель геосинтетических материалов (ООО «ПРЕСТОРУСЬ») предоставил объемную георешетку нового поколения — инновационную пространственную полимерную решетку ГЕОКОРД®.
На данный момент на рынке геосинтетики существует огромное разнообразие объемных георешеток. В данной статье приводятся сравнение различных объемных георешеток, а также сведения об эффективности удержания заполнителя объемными георешетками при воздействии потока воды, о подборе материала заполнителя и о назначении геометрических параметров объемных георешеток в зависимости от угла заложения откоса. Зачастую проектировщики не уделяют этому достаточного внимания и выбирают материал заполнителя исключительно из сложившегося опыта, и могут не учесть множество факторов. Такой подход неверный, в данной статье даются ответы на все вопросы, касающиеся подбора заполнителя. Также показаны нюансы, которые необходимо учитывать при проектировании сооружений с применением объемных георешеток.
Рис. 1. Размыв откоса под действием дождевых и сточных вод
Основной и, пожалуй, самой важной функцией объемных георешеток является защита откосов от эрозии, вызванной осадками или другими потоками воды. Чтобы защитить откос, ячейки объемной георешетки заполняют различными материалами: песок, растительный грунт, щебень, камень или обломочная порода. Выбор заполнителя обусловливается назначением объекта, интенсивностью осадков, подтопляемостью откоса, углом заложения, дополнительными нагрузками, действующими на откос.
Показателем эффективности работы объемной георешетки на откосе, а, следовательно, ее противо-эрозионной функции, служит способность удержания заполнителя при воздействии потока воды.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Чтобы изучить эффективность удержания заполнителя объемными георешетками при воздействии дождя или потока воды, были проведены лабораторные испытания на гидравлической установке для щебня (гидравлический лоток позволяет имитировать направленный поток воды, имеющий большую скорость, что соответствует реальному практическому случаю применения объемной георешетки заполненной щебнем) и на натурной модели орошаемого откоса (песок и растительный грунт наиболее часто применяемые заполнители неподто-пляемых откосов, основное разрушающее действие на них оказывает дождь). Цель испытаний — определить процент вымываемости заполнителя из ячеек при воздействии на откос потока воды (в случае с щебнем) или дождя (песок).
Для изучения состава и размера фракций заполнителя объемных георешеток с учетом гидравлического воздействия были проведены теоретические расчеты критических скоростей потока для ряда частиц заполнителя, которые впоследствии сравнивались с результатами эксперимента по измерению критических скоростей при помощи «водных» тензодатчиков.
Назначение рациональных уклонов откосов и геометрических параметров объемных георешеток происходило на основе расчетов критических скоростей сноса частиц с откоса и расчетов устойчивости георешетки на откосе в соответствии с ОДМ 218.3.032-20132. Также во внимание принимался большом опыт укрепления откосов объемными георешетками компании ООО «ПРЕСТОРУСЬ».
Исследование эффективности удержания заполнителя георешетками при воздействии потока воды.
В первом испытании исследовалась эффективность удержания заполнителя двумя типами объемных георешеток: перфорированной — ГЕОКОРД тип С 200/172 Р (прочность на растяжение — 29 кН/м; высота ячейки — 200 мм; размер ячейки по стороне — 172 мм) и неперфорированной — ГЕОКОРД тип С 200/172. Решетки заполнялись щебнем фракции 20-40 мм, угол заложения откоса состав-
2 ОДМ 218.3.032-2013. Методические рекомендации по усилению конструктивных элементов автомобильных дорог пространственными георешетками (геосотами). Приложение А. Расчетная оценка условий предельного равновесия поверхностной зоны откоса, укрепленной геосотами.
се се
ев
оо 3
со
лял 1:2 и 1:1 [3-5]. В ходе испытаний образы подвергались воздействию потока воды со скоростью до 2 м/с в течение 20 мин, после чего замерялось количество щебня, вымытого из ячеек, и определялся процент потери георешеткой заполнителя. Проводилось три серии испытаний для каждого типа георешетки и для каждого заложения откоса (рис. 2).
По итогам испытаний было установлено, что потери заполнителя в среднем составили не более 1 % как для перфорированной, так и неперфориро-ванной георешетки. Однако дренирующая способность перфорированной георешетки значительно выше, вода не оказывает воздействия на заполни-
тель, и он более стабилен в ячейке. Данный результат свидетельствует о высокой эффективности удержания заполнителя — щебня объемной георешеткой при воздействии потока воды, следовательно, объемная георешетка (в данном эксперименте — ГЕОКОРД) обладает высокой противоэрозионной способностью и отлично подходит для защиты откосов.
Во втором испытании георешетка ГЕОКОРД тип С 100/172 0530 Р (перфорированная) и ГЕОКОРД тип С 100/172 0530 (неперфорированная), заполненные песком средней крупности фракции 2-2,5 мм укладывались на натурную модель откоса 1:2 и 1:1 (рис. 3, 4) и подвергались ороше-
п
со ел
и я •а ш с ®
03 п
Рис. 3. Натурная модель откоса для определения эффективности удержания заполнителя - песка георешетками при воздействии потока воды
Рис. 4. Процесс испытания
нию из дождевых установок с интенсивностью 3 л/минм2 в течении 20 мин. Вода с частицами вымытого песка собиралась в баки и помещалась в сушильную камеру, далее определялся процент потери грунта.
По итогам испытаний было установлено, что потери заполнителя составили не более 15 %. Учитывая крупность заполнителя, высокую интенсивность осадков и отсутствие посева травы — это весьма хороший результат. Георешетка ГЕОКОРД способна хорошо удерживать даже мелкий заполнитель, но как показали результаты испытаний, посадка травы для создания армирования необходима.
Подбор состава и размера фракций заполнителя объемных георешеток с учетом гидравлического воздействия.
В целях эффективного подбора состава и фракций заполнителя георешетки, необходимо определить зависимость между скоростью потока воды и крупностью фракции заполнителя.
По формуле (1) определим гидравлическую крупность частиц заполнителя различных фракций:
W =
4 gDps 3Ср
(1)
где Б — диаметр частиц заполнителя; р — плотность частицы; С — коэффициент сопротивления 0,45 для шарообразной частицы; р — плотность жидкости (воды 1 т/м3); g — ускорение свободного падения (9,81 м/с2).
Чтобы учесть все режимы движения воды (ламинарный и турбулентный), а также большие размеры частиц заполнителя воспользуемся эмпирической формулой расчета скорости осаждения частиц взвеси (2):
W = 1 2
Б + 7,5 £ -1| Dg
- 36 V
Б
(2)
Полученные результаты сведены в табл. 1 (все величины брались по справочным данным [7]).
Следующим шагом было определение критических скоростей, при которых частицы заполнителя
Табл. 1. Гидравлическая крупность при t = 15 °С (по А.В. Воронцову)
Диаметр 200 20 5 2,5 1,0 0,5 0,2 0,1 0,05 0,01 0,005 0,001
частиц, мм
Гидравлическая 3920 1240 620 430 100 60 21 8 2 0,08 0,03 0,0008
крупность, мм/сек (м/сек) (3,92) (1,24) (0,62) (0,43) (0,1) (0,06) (0,021) (0,008) (0,002) (8 • 10-5) (3 • 10-5) (8 • 10-7)
се се
ев
оо 3
со
Табл. 2. Критическая скорость сноса частиц на незащищенном откосе
Грунт 11, мм У„,м/с
Глинистые частицы (0,001) 0,002
Ил (0,005-0,05) 0,1-0,13
Мелкие пески (0,05-0,1) 0,1-0,18
Пески средней крупности (1-2,5) 0,18-0,35
Крупные пески (2,5-5) 0,35-0,5
Щебень, камень (20-200) 2-3
Табл. 3. Критическая скорость сноса частиц на защищенном георешеткой откосе
Грунт 11, мм м/с
Глинистые частицы (0,001) 0,0002
Ил (0,005-0,05) 0,01-0,013
Мелкие пески (0,05-0,1) 0,01-0,018
Пески средней крупности (1-2,5) 0,018-0,035
Крупные пески (2,5-5) 0,035-0,05
Щебень, камень (20-200) 0,2-0,3
будут уноситься с откоса (не защищенного георешеткой).
Критическая скорость при безнапорном режиме рассчитывается по формуле (3):
ГГ Рем - Рв ГРт" Рем!
рв 1 р. J
где В — эмпирический коэффициент (3,85 — песок, гравий; 2,86 — крупнообломочная порода);
IV2
Рг =- — число Фруда; р — плотность смеси;
рв — плотность воды; рт — плотность заполнителя; IV— гидравлическая крупность частиц заполнителя (см. табл. 1).
Полученные результаты сведены в табл. 2. Все величины брались по справочным данным [6].
При расчете толщина потока воды принималась равной /? = 0,5 м, уклоны для тока воды: 1,5-4,5 % — при таких уклонах гарантируется снос частиц.
Зная критические скорости сноса частиц грунта незащищенного откоса, был определен данный показатель уже для откоса, защищенного объемной георешеткой. Основное влияние на критические скорости будут оказывать ячейки георешетки, так как они оказывают сопротивление движению жидкости и частицы материала заполнителя будут задерживаться между ячейками и, следовательно, критические скорости сноса частиц будут существенно М уменьшаться. Для определения критических скоро— стей с учетом размеров ячейки объемной георешет-^ ки (применяем георешетку ГЕОКОРД® с размером £3 ячейки по диагонали 200 мм, перфорированную), учитывая ее текстурирование, мы провели ряд испытаний на гидравлическом лотке. Измерение критических скоростей проводилось при помощи «вод дных» тензодатчиков, которые способны измерить в силовое воздействие потока. Результаты испытаний „ в представлены в табл. 3.
Е2| Таким образом, зная критические скорости с о потока воды приходящегося на откос, можно по-к £ добрать тип заполнителя ячейки георешетки и его фракцию.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Назначение рациональных уклонов откосов и параметров объемных георешеток.
Исходя из расчетов критических скоростей сноса частиц с откоса и расчетов устойчивости георешетки на откосе, мы рекомендуем использовать объемные георешетки на откосах с предельным заложением 1:0,5 (60°). Также, базируясь на большом опыте укрепления откосов объемными георешетками, мы разработали методику подбора параметров объемной георешетки, а именно: высоты, размеров ячейки, толщины стенок, от величины угла заложения откоса. Данные методики были разработаны как для не подтопляемых (рис. 5), так и для подтопляемых откосов (рис. 6). Необходимо помнить, что фиксация объемной георешетки на откосе осуществляется при помощи анкеров, количество которых определяется исходя из расчета.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные испытания позволили сделать выводы о том, что причиной обрушений откосов, помимо прочих факторов, является неправильный выбор материала заполнителя. При подготовке решения защиты откоса с применением объемных георешеток необходимо учитывать следующие рекомендации:
• при назначении параметров откосов и типов объемных георешеток следует собирать полный пакет исходных данных для проектирования и не пренебрегать инженерными изысканиями;
• при проектировании откосов с применением объемных георешеток принимать углы заложения до 60°;
• осуществлять подбор частиц заполнителя в зависимости от исходных данных проекта, ориентируясь на описанные в данной статье методы;
• при проектировании защиты откосов против эрозии использовать перфорированную георешетку, что позволит избежать потери заполнителя и переувлажнения тела откоса.
ГЕОКОРД а1 = 150/172 Высота (мм) ] Тип А,
Защита откоса (не подтопляемый)
ГЕОКОРД al = 210/220 ГЕОКОРД al = 250 ■ Высота (мм) А Высота (мм)
Тип А,
Тип А.
ГЕОКОРД al = 330/356
□ Высота (мм) Тип А,
Рекомендованные размеры ячеек ГЕОКОРД1
200, 300 А, С, Е
150
. 150 I А,_С,Е 100 150 »А, С ■ А,_С_ 50,75 _ 100 > А, С ■ А, С
Параметры откоса
У:Н = ВертикалкГоризонталь, Угол заложения (1:1,5 = 1 по вертикали, 1,5 по горизонтали = 34°)
Откос устойчивый в естественном состоянии
ГЕОКОРД заполняется: растительный грунт, глина; угол внутреннего трения: ср = 20° Рекомендуется посадка растительности (трава, кусты)
Тип А
Тип С
ТипЕ
Типы ГЕОКОРД®
Используется при низких нагрузках, при малых
углах заложения, как правило, заполняется песком
или растительной почвой
Наиболее часто используемый тип, хорошо
подходящий для склонов до 45°,
работает с любым наполнителем
Используется в конструкциях с высоким уровнем ответственности и с особыми требованиями к прочности и долговечности
Рис. 5. Схема подбора параметров объемных георешеток в зависимости от заложения откоса (не подтопляемый)
иоцеэпр]рие ээиэдо
[££] G enSS| '6 '|0Д "lonoiuisMoa
наука
|СиоОразование ЮМ 9. ВЫПУСК 3 (331
Защита откоса (подтопляемый)
ГЕОКОРД а1 = 150/172
Высота (мм) Тип А, С,Е
Ячейка ГЕОКОРД
ГЕОКОРД а1 =210/220 ■ Высота (мм)
ГЕОКОРД а\ = 250 ГЕОКОРД а\ = 330/356
А Высота (мм) Тип А, С,Е
Параметры откоса
У:Н = Вертикаль:Горизонталь, Угол заложения (1:1,5 = 1 по вертикали, 1,5 по горизонтали = 34°)
ШЗЕШ Изо
Откос устойчивый в естественном состоянии
ГЕОКОРД заполняется: растительный грунт, глина; угол внутреннего трения: ср = 20° Рекомендуется посадка растительности (трава, кусты)
Тип А
Тип С
Тип Е
Типы ГЕОКОРД®
Используется при низких нагрузках, при малых углах заложения, как правило, заполняется песком или растительной почвой Наиболее часто используемый тип, хорошо подходящий для склонов до 45 градусов, работает с любым наполнителем
Используется в конструкциях с высоким уровнем ответственности и с особыми требованиями к прочности и долговечности
Рис. 6. Схема подбора параметров объемных георешеток в зависимости от заложения откоса (подтопляемый)
ЛИТЕРАТУРА
1. Азарх М.М. Перспективы применения георешетки «Геовеб» при строительстве автомобильных дорог в России // Автомобильные дороги. 2003. № 5. C. 42-43.
2. Алексеева А.В. Анализ и проблемы исследований армированных геосинтетическим материалом подушек // Современные научные исследования и инновации. 2016. № 4. URL: http://web.snauka.ru/is-sues/2016/04/66954
3. Баранов Е.В., Гурьев А.П., Ханов Н.В. Применение объемных полимерных георешеток в укреплении откосов подпорных грунтовых гидротехнических сооружений // Природообустройство. 2015. № 2. С. 45-48.
4. Векслер А.Б., Дерюгин Г.К. Определение предельно допустимого расхода воды при переливе через каменнонабросную плотину // Известия ВНИ-ИГ им. Б.Е. Веденеева. 2000. Т. 236. С. 24-36.
5. Зайцев А.А., Бубновский В.В. Пластиковые геоячейки «Прудон-494» при строительстве пути // Путь и путевое хозяйство. 2013. № 7. С. 23-24.
6. Кнороз В.С. Неразмывающая скорость для несвязных грунтов и факторы, ее определяющие // Известия ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева. 1958. Т. 59. С. 62-81.
7. Козлов К.Д., Гурьев А.П., Ханов Н.В. Гидравлические исследования покрытия из геокомпозитного материала // Природообустройство. 2014. № 5. С. 80-86.
8. Мельникова Е.П., Нужненко Ю.В., Скрып-ник Т.В. Повышение устойчивости грунтовых сооружений путем армирования геосинтетическими материалами // Современные тенденции развития и перспективы внедрения инновационных технологий в машиностроении, образовании и экономике. 2016. № 1. С. 29-34.
9. Мерзликин А.Е. Эффективность армирования щебня с помощью геоячеек // Тр. «СоюздорНИИ». 2010. Вып. 212. С. 57-67.
10. Мошенжал А.В. Рекомендации по учету решеток «ГЕО Газон» в расчетах нежестких аэродромных покрытий. СПб. : МИАКОМ, 2014. 40 с.
11. Пшеничникова Е.С., Хусаинов И.Ж., Жи-гур Ю.Л. Исследование деформации слоя, состоящего из объемной решетки, заполненной песком // Новости в дорожном деле : сб. науч.-техн. информ. М. : Информавтодор, 2006. Вып. 3. С. 16-24.
12. Пшеничникова Е.С. и др. Строительство опытного участка с применением объемной пластиковой георешетки «Геовеб» в I дорожно-климати-ческой зоне // Сб. науч. тр. ГосДорНИИ «СоюзДор-НИИ». М. : Гос. дорож. науч.-исслед. ин-т ФГУП «Союздорнии», 2001. Вып. 201. С. 63-67.
13. Чугунов А. Геостаб: универсальный материал для дорог и ландшафта // Автомобильные дороги. 2005. № 2. С. 17.
14. Шуваев А.Н., Санников С.П. Применение объемных пластиковых георешеток в дорожном строительстве // Строительный вестник Тюменской области. 2003. № 4. С. 42-44.
15. Müller W.W., Wöhlecke A. The performance of geocomposite drains in the long run // Proc. of the 10th Int. Conf. on Geosynthetics / ed. M. Ziegler. Essen : German Geotechnical Society (DGGT), 2014.
16. Müller W. W. Long-term pull-out resistance and material properties of geogrids // Proc. of the 10th Int. Conf. on Geosynthetics / ed. M. Ziegler. Essen : German Geotechnical Society (DGGT), 2014.
17. ZieglerM., Jacobs F. Laboratory testing of the compound behavior of geogrid reinforced soil // Proc. of the 10th Int. Conf. on Geosynthetics / ed. Ziegler M. Essen : German Geotechnical Society (DGGT), 2014.
18. Wang Z., Jacobs F., Ziegler M. Experimental and DEM investigation of pull-out behaviour of geogrid embedded in granular soil // Proc. of the 10th Int. Conf. on Geosynthetics / ed. M. Ziegler. Essen : German Geotechnical Society (DGGT), 2014.
19. Kief O, Schary Y., Pokharel S.K. High-modulus geocells for sustainable highway infrastructure // Indian Geotechnical Journal. 2015. Vol. 45. Issue 4. Pp. 389-400. DOI: 10.1007/s40098-014-0129-z
20. Parsons R., Jowkar M., Han J. Performance of geogrid reinforced ballast under dynamic loading. Nebraska, USA : University of Nebraska-Lincoln, 2012.
21. Das B.M. Use of geogrid in subgrade-ballast system of railroads subjected to cyclic loading for reducing maintenance. Sacramento, USA : California State University, 2010.
22. Meyer N. Determination of the bearing capacity of geocell reinforced soil over soft subgrade with static and dynamic plate load tests. Institute of Geotechnical Engineering and Mine Surveying, TU Clausthal, 2007.
23. Jacobs F., Ziegler M., Vollmert L., Ehrenberg H. Explicit design of geogrids with a nonlinear c interface model / ed. M. Ziegler // Proc. of the 10th Int. g Conf. on Geosynthetics. Essen : German Geotechnical j Society (DGGT), 2014. E g
24. Yee T. W., Lim L.K., Ter HarmselM., Choi J.C., Щ
« c
Hwang S.P. Geotextile tubes as rockfill replacement S= for construction of polder dike at Saemangeum, Ko- =: rea // Proc. of the 10th Int. Conf. on Geosynthetics / О ed. M. Ziegler. Essen : German Geotechnical Society C" (DGGT), 2014.
g
ce
CD
GO
3
GO
Поступила в редакцию 29 мая 2019 г. Принята в доработанном виде 21 июня 2019 г. Одобрена для публикации 26 августа 2019 г.
Об авторах: Никита Александрович Зубачев — ведущий инженер Технического отдела; ООО «ПРЕСТО-РУСЬ»; 125367, г. Москва, ул. Габричевского, д. 5, корп. 1; zubachev@presto.ru;
Илья Мидхатович Галимов — старший преподаватель кафедры гидравлики и гидротехнического строительства; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; РИНЦ ГО: 809150; GalimovIM@mgsu.ru;
Алексей Владимирович Кузин — бакалавр кафедры гидравлики и гидротехнического строительства; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; iges@mgsu.ru;
Ольга Александровна Собина — бакалавр кафедры гидравлики и гидротехнического строительства; Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ); 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26; iges@mgsu.ru.
INTRODUCTION
The development of transport construction, in particular expansion and modernization of existing road and railway infrastructure or construction of new, construction and reconstruction of water transport hydraulic structures is increasing from year to year and is accompanied by the development of new high-performance methods and solutions to meet the high requirements of work in a short time. To accomplish the task are not only traditional building materials (gravel, sand, concrete, etc.), but modern materials made of synthetic polymer materials, which are made from a variety of geotextile, geogrid, which is a highly effective design
solution, in particular for the prevention of erosion of slopes [1-24].
Protection of the surface of the slopes is a common problem in the construction of most objects of road, hydraulic, railway construction. The slopes are subject to constant destructive effects, so all the slopes are eroded by precipitation, the dam slopes are affected by the flow of water and waves (fig. 1), ice, railway embankments permanent dynamic loads. Under the influence of such a number of loads, the slopes quickly collapse and the body of the embankment (structure) itself begins to deform. Due to these numerous difficulties, a constructive solution for the protection of slopes should be technologically advanced, durable, simple and inexpensive
Sb Fig. 1. Erosion of the slope under the action of rain and wastewater
during installation and operation. In our opinion, such a solution is constructions using three-dimensional polymer geocell. To prepare the study, we turned to the largest manufacturer of geosynthetic materials LLC "PRESTORUS". For testing, a new generation geocell was provided to us — the innovative spatial polymer lattice GEOCORD®.
At the moment there is a huge variety of three-dimensional polymer geocell on the geosynthetics market. In this article, we will not compare different three-dimensional polymer geocell, but talk about the effectiveness of retaining the aggregate by voluminous geocell under the influence of water flow, selecting the aggregate material and assigning the geometrical parameters of three-dimensional polymer geocell depending on the angle of inclination. Often, designers do not pay enough attention to this and prescribe a placeholder material solely from current experience and may not take into account many factors. This approach is incorrect and in this article we have tried to highlight all the issues relating to the selection of aggregate, and dismantled a few nuances that need to be taken into account when designing structures with the use of three-dimensional polymer geocell.
The main and, perhaps, the most important function of bulk geocell is to protect the slopes from erosion caused by precipitation or other water flows. To protect the slope, the cells of the geocell are filled with various materials: sand, vegetable soil, crushed stone, stone or detritus. The choice of aggregate is determined by the purpose of the object, the intensity of precipitation, the flooding of the slope, the angle of the deposit, the additional loads acting on the slope.
An indicator of the effectiveness of the bulk geocell on the slope, and, consequently, its anti-erosion function, is the ability to hold the aggregate when exposed to water flow.
MATERIALS AND METHODS
In order to study the retention efficiency of the aggregate by geocell under the influence of rain or water flow, several laboratory tests were conducted on a crushed hydraulic installation (a hydraulic tray allows to simulate a directional flow of water having a greater speed, which corresponds to the actual practical case of using a thgeoree-dimensional polymer geocell filled with rubble) and on-site irrigated slope models (sand and vegetable soil are the most frequently used aggregates of unsinkable slopes, mainly rain has a crushing effect on them). The purpose of the test was to determine the percentage of washout aggregate from the cells when exposed to the slope of the flow of water (in the case of rubble) or rain (sand).
To study the composition and size of aggregate geocell aggregation fractions taking into account the hydraulic impact, theoretical calculations were made of critical flow rates for a number of aggregate particle
sizes, which were subsequently compared with the results of an experiment to measure critical velocities using water strain gauges.
The assignment of rational slope slopes and geometrical parameters of bulk geocell was made on the basis of calculations of critical velocities of particle drift from a slope and calculations of the stability of the geocell on the slope in accordance with3. Also taken into account was the great experience of strengthening the slopes by geocell of the company PRESTORUS LLC.
Investigation of the efficiency of retention of aggregate geocell when exposed to water flow.
In the first test, the effectiveness of holding the aggregate with two types of geocell was studied: perforated — GEOCORD type C 200/172 P (tensile strength — 29 kN/m; 200 mm — cell height, 172 mm — cell size on the side) and unperforated — "GEOCORD" type C 200/172. The grates were filled with rubble with a fraction of 20-40 mm, the slope laying angle was 1:2 and 1:1 [3-5]. During the tests, the images were exposed to the flow of water at a speed of up to 2 m/s for 20 minutes, after which the amount of rubble measured from the cells was measured and the percentage loss of the aggregate geocell was determined. Three series of tests were carried out for each type of geocell and for each laying of a slope (fig. 2).
Fig. 2. Hydraulic model for determining the effectiveness of retaining aggregate-crushed stone under the influence of wa- e ter flow c
CD
a —
Ed
dt
As a result of the tests, it was found that aggregate = C losses averaged no more than 1 % for both perforated gg and non-perforated geocell. However, the drainage ca- =" pacity of the perforated geocell is much higher, water g does not have a proclaiming effect on the aggregate and 9 it is more stable in the cell. This result indicates high I retention of aggregate-crushed stone by the bulk geocell ^
3 SP 38.13330.2012. Loads and impacts on Hydraulic ( structures (from wave, ice and ships). Updated version of CO SNiP 2.06.04-82*. S
Н.А. 3y6aveB, H.M. ranuMOB, A.B. Ky3UH, O.A. Co6uHa
when exposed to water flow, therefore, the bulk geocell (in this experiment, GEOCORD) has a high erosion capacity and is excellent for protecting slopes.
In the second test, the geocell GEOCORD type C 100/172 0530 P (perforated) and GEOCORD type
C 100/172 0530 (non-perforated) filled with medium-sized sand with a fraction of 2-2.5 mm fit a full-scale slope model of 1:2 and 1:1 (fig. 3, 4) and were subjected to irrigation from rain plants with an intensity of 3 li-ter/minm2 for 20 minutes [3-6]. Water with particles of washed sand was collected in tanks and placed in a drying chamber, then the percentage of soil loss was determined.
According to the results of the tests, it was found that the loss of aggregate was not more than 15 %. Given the size of the aggregate, the high intensity of precipitation and the absence of grass sowing — this is a very good result. The geocell "GEOCORD" is capable of holding even fine aggregate well, but as shown by the test results, planting grass to create reinforcement is necessary.
Selection of the composition and size of aggregate geocell aggregate fractions taking into account the hydraulic effect.
In order to effectively select the composition and fractions of the geocell aggregate, it is necessary to determine the relationship between the water flow rate and the aggregate fraction size.
According to the formula (1) we determine the hydraulic particle size of the aggregate particles of different fractions:
W =
4 gDps 3Cp
(1)
Fig. 3. Full-scale model of the slope to determine the effectiveness of retention of aggregate-sand geocell when exposed to water flow
where D — aggregate particle diameter; ps — particle density; C — coefficient of resistance, 0.45 for a spheri-
cs
CO
w
U CO
•an
c=
oa n I- ts
Fig. 4. Testing process
Table 1. Hydraulic size at t = 15 °C (according to A.V. Vorontsov)
Diameter of 200 20 5 2.5 1.0 0.5 0.2 0.1 0.05 0.01 0.005 0.001
particles, mm
Hydraulic 3920 1240 620 430 100 60 21 8 2 0.08 0.03 0.0008
size, mm/s (m/s) (3,92) (1,24) (0.62) (0.43) (0.1) (0.06) (0.021) (0.008) (0.002) (8 ■ 10-5) (3 ■ 10-5) (8 ■ 10-7)
Table 2. The critical rate of particle drift on an unprotected slope
Soil d, mm v , м/с
Clay particles (0.001) 0.002
IL (0.005-0.05) 0.1-0.13
Fine sands (0.05-0,1) 0.1-0.18
Sands of medium size (1-2.5) 0.18-0.35
Large sands (2.5-5) 0.35-0.5
Crushed stone, stone (20-200) 2-3
Table 3. Critical particle demolition speed on a geocell protected slope
Soil d, mm v , м/с
Clay particles (0.001) 0.0002
IL (0.005-0.05) 0.01-0.013
Fine Sands (0.05-0.1) 0.01-0.018
Sands of medium size (1-2.5) 0.018-0.035
Large sands (2.5-5) 0.035-0.05
Crushed stone, stone (20-200) 0.2-0.3
cal particle; p — fluid density (water 1 t/m3); g — free fall acceleration (9.81 m/s2).
To take into account all modes of water movement (laminar and turbulent), as well as large sizes of aggregate particles, we use the empirical formula for calculating the sedimentation rate of suspended particles (2):
^ = 1 2
D + 7.5 ft - H
- 36 V
D
. (2)
ГТ 9 Pm - Pw ( Pa - Pm !
Fr 9 Pw V Pw /
The results are summarized in table 1 (all values were taken according to reference data [7]).
The next step was to determine the critical speeds at which the aggregate particles would be carried away from the slope (not protected by the geocell).
The critical speed when the pressure-free mode is calculated by the formula (3):
(3)
where B — empirical coefficient (3.85 — sand, gravel;
W2
2.86 — coarse clastic rock); Fr =-— Froude num-
gD
ber; pm — mixture density; pw — water density; pa— aggregate density; W — hydraulic aggregate particle size see table 1.
We summarize the results in table 2, all values were taken according to reference data [6].
In the calculation, the thickness of the water flow was assumed to be h = 0.5 m, slopes for water flow: 1.5-4.5 % — with such slopes, particle drift is guaranteed.
Now, knowing the critical speeds of the demolition of particles of the soil of an unprotected slope, we will define this indicator already for a slope protected
by a voluminous geocell. The geocell cells will have a major impact on the critical speeds, since they resist the movement of fluid and the particles of the aggregate material will linger between the cells and, therefore, the critical particle drift velocities will decrease significantly. To determine the critical speeds taking into account the cell size of a voluminous geocell (using a GEOCORD® geocell with a cell size of 200 mm diagonal perforated) and considering its texturing, we conducted a series of tests on a hydraulic tray. Measurement of critical velocities was carried out with the help of "watef' strain gauges, which are able to measure the force effect of the flow. The test results are presented in table 3.
Thus, knowing the critical flow rates of water falling on a slope, one can choose the type of geocell cell aggregate and its fraction.
RESULTS
Assignment of rational slope slopes and parameters of three-dimensional polymer geocell.
Based on the calculations of critical velocities of particle drift from the slope and calculations of the stability of the geocell on the slope [2], we recommend using bulk geocell on the slope with a marginal laying of 1:0.5 (60°). Also based on a wide experience of slope reinforcement with three-dimensional polymer geocell, we developed a technique for selecting the parameters of a three-dimensional polymer geocell, namely: height, cell size, wall thickness, and the slope angle. These techniques were developed for both non-flood (fig. 5) and flooded slopes (fig. 6). It must be remembered that the fixation of the bulk geocell on the slope is carried out using anchors, the number of which is determined based on the calculation.
ce
V»
CD
GO 3
GO
4
наука
|Сиобраз0вание ТОМ 9. ВЫПУСК 3 (331
GEOCORD al = 150/172 GEOCORD al = 210/220 GEOCORD al = 250 GEOCORD al = 330/356
Height (mm) Type A, С,E
rEOKORH cell
Height (mm) Type A, С,E
Height (mm) . Type A, С,E
Height (mm) Type A, С,E
Recommended GEOCORD
HClH HjU 20'
Slope is stable at natural state
GEOCORD® infill soil: topsoil, clay; internal friction angle cp = 20° Recommended for vegetation establishment (e.g. bushes, trubs)
Slope inclination
V:H = Vertical: Horizontal.
Degrees correspond to inclination
(e.g. 1:1.5 = 1 vertical to 1,5 horizontal = 34°)
Types of GEOCORD®
Type A It is used at low loads, at small degrees of slope, as a rule, it is filled with sand or vegetable soil
The most commonly used type, well suited for sloped up to 45 degrees, works with any filler
Use in constructions with high level of responsibility and with special requirements for strength and durability properties
Fig. 5. Diagram of the selection of parameters of geocell, depending on the laying of the slope (non-flooded)
GEOCORD al = 150/172 GEOCORD al = 210/220 GEOCORD al = 250 GEOCORD al = 330/356
Height (mm) Type A, C,E
Height (mm) Type A, C,E
Height (mm) Type A, C,E
Height (mm) Type A, C,E
Recommended GEOCORD® cell
200, 300 O A,C,E
100 150 a 200,300
Oa.C BA.C AA.C
Slope inclination
V:H = Vertical: Horizontal.
Degrees correspond to inclination
(e.g. 1:1.5 = 1 vertical to 1,5 horizontal = 34°)
EEHEOMI HH 20
Slope is stable at natural state
GEOCORD® infill soil: topsoil, clay; internal friction angle cp = 20° Recommended for vegetation establishment (e.g. bushes, trubs)
Type A
TypeC
Type E
Types of GEOCORD®
It is used at low loads, at small degrees ol slope, as a rule, it is filled with sand or vegetable soil
The most commonly used type, well suited for sloped up to 45 degrees, works with any filler
Use in constructions with high level of responsibility and with special requirements for strength and durability properties
Fig. 6. Diagram of the selection of parameters of geocell, depending on the laying of the slope (flooded)
[££] e anssi -6 ïoa rS'W331,3138
H.A. 3y6aneB, M.M. ranuMOB, A.B. Ky3UH, O.A. Co6uHa
CONCLUSION
The tests that were carried out made it possible to conclude that the cause of the collapse of slopes, among other factors, is the wrong choice of aggregate material. When preparing a slope protection solution using geocell, the following recommendations should be considered:
• when assigning the parameters of slopes and types of three-dimensional polymer geocell, you should col-
lect a complete package of initial data for design and not neglect engineering surveys;
• when designing slopes with the use of three-dimensional polymer geocell, to take angles of up to 60°;
• carry out the selection of aggregate particles depending on the initial data of the project, focusing on the methods described in this article;
• when designing the protection of slopes against erosion, use a perforated geocell to avoid loss of aggregate and over-wetting of the body of the slope.
REFERENCES
1. Azarh M.M. Prospects for the use of geogrid "Geoweb" during the construction of roads in Russia. Roads. 2003; 5:42-43. (rus.).
2. Alekseeva A.V. Analysis and problems of research of pillows reinforced with geosynthetic material. Modern Scientific Researches and Innovations. 2016; 4. URL: http://web.snauka.ru/issues/2016/04/66954 (rus.).
3. Baranov E.V., Gurjev A.P., Khanov N.V. Use of bulk polymeric geogrids in strengthening slopes of retaining hydraulic structures. Environmental Engineering. 2015; 2:45-48. (rus.).
4. Veksler A.B., Deryugin G.K. Determination of maximum permissible discharge of water in overflowing a rockfill dam. Izvestia, B.E. Vedeneev VNIIG. 2000; 236:24-36. (rus.).
5. Zaitsev A.A., Bubnovsky V.V. Plastic geocells "Prudon-494" in the construction of the track. Railway Track and Facilities. 2013; 7:23-24. (rus.).
6. Knoroz V.S. Non-washing speed for non-cohesive soils and factors determining it. Izvestia, B.E. Vedeneev VNIIG. 1958; 59:62-81. (rus.).
7. Kozlov K.D., Gurjev A.P., Khanov N.V. Hydraulic studies of the coating from the geocomposite material. Environmental Engineering. 2014; 5:80-86. (rus.).
8. Melnikova E.P., Nujnenko U.V., Skrypnik T.V. The stability of ground facilities by reinforcement geo-synthetics. Modern trends and prospects for the intro-
PQ duction of innovative technologies in engineering, edu-n cation and the economy. 2016; 1:29-34. (rus.).
9. Merzlikin A.E. The effectiveness of reinforce-■n ment and rubble with the help of joycec. Moscow, 2010; E 212:57-67. (rus.).
SB 10. Moshenzhal A.V. Recommendations on ac-
cn counting lattices, "GEO Turf' in the calculation of non-S rigid airfield pavements. Saint-Petersburg, MIAKOM * Publ., 2014; 40. (rus.).
a ® 11. Pshenichnikova E.S., Khusainov I.J., Zigure Yu.L. Study of the deformation layer, consisting of § H three-dimensional geocells filled with sand. News, road case. Moscow, Informavtodor Publ., 2006; 3:16-24.
a, o
£ f (rus.).
n
12. Pshenichnikova E.S. et al. The Construction of the pilot area using the volume of the plastic geogrid "Geoweb" in I road-climatic zone. Proc. of scientific papers Gosdornii "Soyuzdornii". Moscow, State. road scientific researcher Institute of Federal State Unitary Enterprise "Soyuzdornii", 2001; 201:63-67. (rus.).
13. Chugunov A.V. Geostab: universal material for roads and landscape. Highways. 2005; 2:17. (rus.).
14. Shuvaev A.N., Sannikov S.P. Application of bulk plastic geogrids in road construction. Building Bulletin of the Tyumen region. 2003; 4:42-44. (rus.).
15. Müller W.W., Wohlecke A. The performance of geocomposite drains in the long run. Proc. of the 10th Int. Conf. on Geosynthetics. Ed M. Ziegler. Essen, German Geotechnical Society (DGGT), 2014.
16. Müller W.W. Long-term pull-out resistance and material properties of geogrids. Proc. of the 10th Int. Conf. on Geosynthetics. Ed M. Ziegler. Essen, German Geotechnical Society (DGGT), 2014.
17. Ziegler M., Jacobs F. Laboratory testing of the compound behavior of geogrid reinforced soil. Proc. of the 10th Int. Conf. on Geosynthetics. Ed M. Ziegler. Essen, German Geotechnical Society (DGGT), 2014.
18. Wang Z., Jacobs F., Ziegler M. Experimental and DEM investigation of pull-out behaviour of geogrid embedded in granular soil. Ed M. Ziegler. Proc. of the 10th Int. Conf. on Geosynthetics. Essen, German Geotechnical Society (DGGT). 2014.
19. Kief O., Schary Y., Pokharel S.K. High-modulus geocells for sustainable highway infrastructure. Indian Geotechnical Journal. 2015; 45(4):389-400. DOI: 10.1007/s40098-014-0129-z
20. Parsons R., Jowkar M., Han J. Performance of geogrid reinforced ballast under dynamic loading. Nebraska, USA, University of Nebraska-Lincoln, 2012.
21. Das B.M. Use of geogrid in subgrade-ballast system of railroads subjected to cyclic loading for reducing maintenance. Sacramento, USA, California State University, 2010.
22. Meyer N. Determination of the bearing capacity of geocell reinforced soil over soft subgrade with static and dynamic plate load tests. Institute of Geotech-
nical Engineering and Mine Surveying, TU Clausthal, 2007.
23. Jacobs F., Ziegler M., Vollmert L., Ehrenberg H. Explicit design of geogrids with a nonlinear interface model. Proc. of the 10th Int. Conf. on Geo-synthetics. Ed M. Ziegler. Essen, German Geotechnical Society (DGGT), 2014.
24. Yee T.W., Lim L.K., Ter Harmsel M., Choi J.C., Hwang S.P. Geotextile tubes as rockfill replacement for construction of polder dike at Saemange-um, Korea. Proc. of the 10th Int. Conf. on Geosynthet-ics. Ed M. Ziegler. Essen, German Geotechnical Society (DGGT). 2014.
Received May 29, 2019.
Adopted in its final form on June 21, 2019.
Approved for publication August 26, 2019.
Bionotbs: Nikita A. Zubachev — Lead Engineer, Technical Department (TechO); PRESTORUS LLC; block 1, 5 Gabrichevskogo, Moscow, 5125367, Russian Federation; zubachev@presto.ru;
Ilya M. Galimov — Senior Lecturer of Department of Hydraulics and Hydraulic Engineering; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; RISC ID: 809150; GalimovIM@mgsu.ru;
Alexey V. Kuzin — bachelor, Department of Hydraulics and Hydraulic Engineering; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; iges@mgsu.ru;
Olga A. Sobina — bachelor, Department of Hydraulics and Hydraulic Engineering; Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU); 26 Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; iges@mgsu.ru.
