CC BY
258
ЕЛЕМЕНТИ КОНСТРУЮВАННЯ АРМОҐРУНТОВИХ ПІДПІРНИХ КОНСТРУКЦІЙ НА АВТОМОБІЛЬНИХ ДОРОГАХ
В.Я. Савенко, професор, О.Ю. Усиченко, доцент, Національний транспортний університет
Анотація. Розглянуті основні принципи і теоретичні положення розрахунку армоґрунтових підпірних споруд на автомобільних дорогах і визначені етапи їх конструювання.
Ключові слова: автомобільні дороги, армоґрунт, підпірні конструкції,
геосинтетичні матеріали.
Вступ
Для забезпечення влаштування укосів більшої крутизни або підвищення несучої здатності ґрунту можна використовувати армування ґрунтів на стадії будівництва або в природному заляганні. Для цього можуть використовуватися металеві стрічки, сітки, анкери, полімерні стрічки, полотна, сітки або анкери, голкопрошивання ґрунтів та інші заходи.
Мета і постановка задачі
Створення технологій, які ґрунтуються на застосуванні нових матеріалів при спорудженні земляного полотна, міцність і стійкість якого обумовлюють головні транспортно-
експлуатаційні показники автомобільної дороги, є актуальним завданням технічного прогресу в
дорожній галузі. Питання забезпечення стійкості земляного полотна, насамперед високих насипів, може бути вирішене за рахунок збільшення закладення укосів або використання підпірних конструкцій (гравітаційні, шпунтові та інші підпірні стінки). Альтернативним заходом зниження бокового тиску ґрунту і
матеріаломісткості підпірних споруд є
застосування армованих конструкцій, одним із варіантів яких є використання геосинтетичних матеріалів. Ці конструкції позбавлені багатьох недоліків традиційних проектних рішень і уможливлюють використання ґрунтів з
підвищеною вологістю, зі зниженими фізико-механічними характеристиками, спорудження високих насипів з укосами підвищеної крутизни та виконання ряду інших нестандартних завдань.
Конструювання армоґрунтових підпірних споруд
За рахунок використання геосинтетиків скорочуються терміни будівництва, зменшуються обсяги земляних робіт та відведення цінних земель (підходи до мостів, шляхопроводів у містах, в курортних та рекреаційних зонах), стає можливою заміна дорогих армуючих сталевих елементів на відносно дешеві геоматеріали без погіршення експлуатаційних якостей. Ці армуючі прошарки можуть одночасно поєднувати функції регулювання напружено-деформованого стану та водно-теплового режиму ґрунтового насипу.
Суттєвими перевагами зазначеного типу підпірних споруд є простота конструкції в поєднанні з легкістю та швидкістю спорудження.
Проектна методика армованих ґрунтових структур застосовується для армованих підпірних стінок з вертикальним фасадом або близьким (у межах 20 градусів відхилення) до вертикального. Структури з фасадом, який нахилений більше ніж на 20 градусів до вертикалі, повинні розраховуватись за проектними методиками, розробленими для армованих укосів. Термін служби постійних армоґрунтових підпірних структур на автомобільних дорогах приймається як 100 років.
Навантаження, що діють на підпірні стінки, складаються із власної ваги матеріалу заповнювача та привантаження на поверхні засипки. Привантаження діляться на постійні (від ваги додаткового насипу на поверхні або прогонових будов мостів) та тимчасові (від транспортних засобів).
При розрахунках армоґрунтових підпірних стін прийняті принципи граничного стану. Розглядаються дві групи граничних станів.
Перша група - за несучою здатністю та непридатністю до експлуатації. Включає повну втрату стійкості або значні пошкодження. Ці стани досягаються для певного способу руйнування. Межі безпеки проти досягнення стану граничного руйнування забезпечуються через введення коефіцієнтів надійності за призначенням споруди, коефіцієнтів надійності за навантаженнями та коефіцієнтів надійності за матеріалом. Розрахункові навантаження
визначаються множенням нормативного
навантаження на відповідні коефіцієнти надійності за навантаженнями, які враховують можливі відхилення навантаження в несприятливий бік (більший або менший). Коефіцієнт надійності за навантаженнями при розрахунку підпірних стін приймається згідно з СНиП 2.05.03-84**. Коефіцієнт надійності за матеріалом враховує зниження міцності матеріалу в елементах реальних розмірів, які відрізняються від розмірів стандартних зразків. Коефіцієнт умов роботи враховує вплив сонячної радіації, циклів замерзання-відтаювання, вологості, агресивності оточуючого середовища та особливості вибраної розрахункової схеми.
Розрахунок за першою групою граничних станів передбачає виконання розрахунків за стійкістю положення стіни проти зсуву по основі, проти перекидання, міцності ґрунтової основи, загальна втрата стійкості - зовнішня стійкість та внутрішня стійкість - розрив армування, витягування армування, руйнування з’єднань, руйнування фасадних панелей, обвал фасадних блоків, проковзування фасадних блоків.
Друга група - за непридатністю до нормальної експлуатації - перевірка на допустимі деформації. Стан межі експлуатаційної надійності досягнуто, якщо деформації, які спостерігаються протягом терміну експлуатації, перевищують допустимі значення або якщо вони перешкоджають експлуатаційній надійності структури. Метою проектування є визначення допустимих деформацій для будь-якого стану межі експлуатаційної надійності. Розрахунок за другою групою граничних станів виконують на дію нормативних навантажень, тобто коефіцієнти надійності за навантаженнями та за матеріалами, крім геосинтетичного армування, приймається рівним одиниці.
Розрахунок конструкції повинен відвертати можливість виникнення будь-якої з груп граничних станів.
Елементи армування мають товщини, дуже малі за значенням порівняно з іншими розмірами. Вони мають дуже низьку жорсткість на згин і можуть сприймати тільки осьові напруження розтягу. Величина напружень, які сприймаються елементами армування, буде сприйматися за
рахунок осьової жорсткості елемента армування. У тих випадках, коли при прикладенні проектних напружень в армуванні виникають відносні осьові деформації, що не перевищують 1 %, армування класифікується як жорстке. У випадку, коли під дією проектних напружень в армуванні виникають відносні осьові деформації, що перевищують 1 %, армування класифікується як нежорстке. У випадку використання для армування ґрунтів полімерних геосинтетиків -геотекстилів, геосіток та георешіток - деформації розтягу при навантаженні проектними напруженнями перевищують
1 % і таке армування розглядається як нежорстке.
Армований ґрунт - це композитний матеріал, в якому скомбіновані характерні міцності двох різних матеріалів, зменшуючи недоліки кожного. Ґрунт характеризується низькою міцністю на розтяг, але високою міцністю на стиснення, яка обмежується властивістю ґрунту чинити опір зсувним напруженням.
У даному випадку комбінація великого об'єму відносно дешевого матеріалу з міцністю на стискання - ґрунту - поєднується з відносно меншою кількістю більш дорогого матеріалу з міцністю на розтяг - геосинтетиками, призводить до покращення фізико-механічних властивостей армованого ґрунту. Таким чином, комбінація міцності на розтяг з міцністю на стискання двох матеріалів покращує загальні характеристики композитного матеріалу аналогічно властивостям залізобетону. При навантаженні армованого ґрунту вертикальними напруженнями з’являється деформація стиснення і результуюча бокова деформація розтягу. Оскільки армування має жорсткість на розтяг більшу, ніж ґрунт, то бічне деформування ґрунту відбудеться у тому випадку, якщо відбудеться зсув на межі ґрунт -армування. Зусилля зсуву в ґрунті передаються розташованому поряд армуванню, як тільки у ґрунті починаються зсувні деформації. Зусилля зсуву нестабільної ґрунтової маси передаються армуванню через тертя та адгезію. Тертя -компонент опору зсуву, який є пропорційним нормальному напруженню, що діє на площину зсуву. Адгезія - опір зсуву між різними матеріалами (ґрунт та армування) і не залежить від нормального напруження. У результаті цього внутрішнього переформування зсуву маса ґрунту утримується від критичного стану, і боковий тиск від маси армованого ґрунту також зменшується. При збільшенні осьового напруження збільшуються напруження зсуву. Межа міцності армованого матеріалу залежить від міцності армування або від сили тертя на межі ґрунт -геосинтетичне армування.
фасадний елемент
напруження зсуву, що передаються від нестабільної грунтової маси
Рис.1. Механізм армування в підпірній стінці Дослідження механізмів армування призводять до висновку, що ґрунт засипки в підпірній стінці поділяється поверхнею ковзання на дві зони -активну та стійку (рис. 1). Без армування клин обвалення - активна зона має тенденцію до зсуву відносно активної зони. На рис. 1 наведений ]-й
прошарок армування загальною довжиною . Цей прошарок довжиною закладений в
активну зону, довжиною Ьсі закладений в стійку зону. Гнучке армування забезпечує стійкість армованої маси ґрунту за рахунок перенесення напружень зсуву з активної зони в стійку. Якщо армування має достатню силу тертя з ґрунтом та власну міцність на розтяг, воно сприймає навантаження розтягу, які генеруються в активній зоні ґрунтового масиву. Напруження розтягу в армуванні у межах стійкої зони зменшуються і у випадку, коли його довжина закладення у стійкій зоні достатня, на вільному кінці довжини ^сі у стійкій зоні напруження розтягу дорівнюють нулю. Гнучке армування укладається в ґрунт під час будівництва, має положення близьке до горизонтального, що збігається з напрямком напружень розтягу, які виникають в ґрунті у межах активної зони. Для забезпечення
ефективної роботи геосинтетичного армування у ґрунті необхідно забезпечити ефективну його взаємодію з ґрунтом. Головне для армування -сприйняття напружень без розриву, який би спровокував граничний стан руйнування, або без виникнення деформацій, які могли б призвести до відмови експлуатаційної надійності.
Зовнішня стійкість армоґрунтової підпірної стінки розраховується аналогічно до традиційних підпірних конструкцій, а проектування
внутрішньої стійкості зводиться до визначення осьових розтягуючих зусиль, які сприймаються армуванням в активній зоні та їх розподілу в стійкій зоні в межах, визначених граничним станом руйнування або визначених меж експлуатаційної надійності.
Для визначення максимальних розтягуючих зусиль в геосинтетичному прошарку використано теорію методу «зворотного клину» у поєднанні з
«методом структурної жорсткості».
Геосинтетичне армування є достатньо гнучким і деформативним для генерування в ґрунті активного напруженого стану. Визначення напруження в армуючому прошарку базується на розрахунку горизонтального зусилля в ґрунті на певній глибині від активного тиску ґрунту. Коефіцієнт активного бокового тиску ґрунту Ка підвищується емпіричним коефіцієнтом, який є функцією глибини від верха стіни, типу армування та загальної жорсткості структури. Отриманий коефіцієнт Кг використовується для визначення бокового тиску ґрунту через вертикальні напруження при горизонтальній поверхні засипки та відсутності тертя на поверхні розділу ґрунт - фасадні елементи. Напруження в армуванні визначаються із припущення, що армування чинить опір тискам, які виникають всередині стіни у безпосередній близькості від прошарку. Обвалення клину протікає у горизонтальній рівновазі з армуючими прошарками, які діють як анкер.
Висновки
Задача конструювання армоґрунтових підпірних стінок зводиться до визначення геометричних розмірів стіни, матеріалів для їх спорудження та розрахунку підпірних стінок за двома групами граничних станів.
Етапи конструювання армованих підпірних структур:
1. Визначення геометрії стіни.
2. Підбір заповнювача.
3. Підбір елементів армування.
4. Вибір фасадних елементів.
5. Визначення геометрії розташування армуючих елементів та початкових розмірів структури.
6. Розрахунок стійкості армоґрунтової підпірної структури.
6.1. Перевірка зовнішньої стійкості.
6.2. Розрахунок внутрішньої стійкості.
6.2.1. Визначення зусиль розтягу, які повинні сприймати окремі шари армування.
6.2.2. Перевірка окремих шарів армування на розрив та витягування.
6.2.3. Перевірка стійкості клину.
6.3. Перевірка придатності до експлуатації.
6.4. Перевірка внутрішнього проковзування.
6.5. Проектування з’ єднань та фасадних елементів.
7. За необхідності коригування початкових розмірів та повторні розрахунки.
Рецензент: В.К. Жданюк, професор, д.т.н., ХНАДУ. Стаття надійшла до редакції 12 вересня 2006 р.
