Несуча здатність армованих слабких водонасичених глинистих основ з урахуванням реологічних властивостей ґрунту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Несуча здатність армованих слабких водонасичених глинистих основ з урахуванням реологічних властивостей ґрунту

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Робота присвячена проблемі прогнозування несучої здатності армованих слабких водонасичених глинистих основ, що знаходяться під дією як постійного, так і тимчасового навантаження. В інженерній практиці така проблема виникає під час проектування земляного полотна транспортних споруд, що розташовані на ділянках насипів та виїмок. Проблема полягає в недостатній несучій здатності слабких глинистих грунтів, що виконують роль основи насипу та основної площадки виїмки. Традиційні методи посилення таких основ, наприклад, за допомогою піщаних паль, подушок не дають такого ефекту в умовах стислого виробництва робіт. Застосування армування дозволило отримати нові конструкції з високою несучою здатністю на статичні та динамічні навантаження, котрі в теперішній час знайшли широке розповсюдження для підвищення стійкості грунтових масивів, особливо в умовах незавершеної консолідації основ з підвищеним ступенем вологості.

Однак, конструювання таких споруд має індивідуальний характер і засновано на чисто емпіричному підході без обліку сумісних особливостей їх роботи як композиційних систем, у склад яких входять трифазні дисперсні матриці (грунтові засипки) та м'які (відносно розтяжні або нерозтяжні) капіляроперериваючі або фільтруючі прошарки.

Значна площа України складена слабкими грунтами різного походження. Морські глинисті відкладення Чорноморського басейну розташовані на Керченському півострові і також уздовж Азовського узбережжя. Слабкі водонасичені грунти алювіального походження займають великі території в долинах Дніпра та деяких інших річок. Товщина слабких грунтів у цих районах змінюється від декількох до десятків метрів. Треба відмітити, що лесові грунти, які займають більш а ніж половина території України, в результаті замочування під час техногенної дії слід також віднести до слабких водонасичених грунтів.

С практичної точки зору, актуальність проблеми, що розглядається обумовлена тим, що застосування армування стримується відсутністю методики розрахунку та розрахункових комплексів. Актуальною також є проблема прогнозування несучої здатності армованих слабких основ з урахуванням реологічних властивостей грунту.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота виконувалася відповідно до плану НДР за замовленням Укрзалізниці. Тема №19.00.93.97. «Розробка методу укріплення зсувних і підтоплюємих залізничних насипів». Результати досліджень стали основою звіту.

Мета і задачі дослідження. Метою є розробка ефективних методів посилення слабких ґрунтів та методики розрахунку несучої здатності армованих слабких водонасичених глинистих основ з урахуванням реологічних властивостей ґрунту.

Для здійснення мети роботи були поставлені наступні задачі:

- провести аналіз існуючих методів посилення та розрахунку, а також експериментальних досліджень стійкості слабких водонасичених основ;

- з'ясувати характер взаємодії армуючих матеріалів з ґрунтовими засипками та слабкими водонасиченими глинистими ґрунтами;

- показати вплив різних схем армування та різноманітних видів геоматеріалів на значення граничного навантаження;

- визначити можливі форми втрати стійкості армованих різними способами та типами геоматеріалів основ;

- розробити методику розрахунку стійкості слабких водонасичених глинистих основ для різних схем армування з урахуванням реологічних параметрів ґрунтів;

- розробити програму розрахунку армованих слабких основ за приведеною методикою.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що проведені комплексні експериментально-теоретичні дослідження стійкості слабких водонасичених глинистих грунтів, армованих геотекстильними матеріалами різних типів та способів кріплення основ, дозволили отримати наступні результати:

- з'ясовані особливості контактної взаємодії різних видів геоматеріалів з грунтовими засипками та слабкими водонасиченими глинистими грунтами, а також їхня поведінка з часом;

- отримані величини граничних навантажень на слабкі основи, на підставі модельних досліджень у лотку, в залежності від схеми армування та типу армуючого матеріалу;

- встановлений характер втрати стійкості та механізм виникнення поверхонь ковзання слабких основ, закріплених різними способами та різноманітними геоматеріалами, за допомогою методу центробіжного моделювання;

- розроблена методика розрахунку несучої здатності армованих слабких основ з урахуванням реологічних властивостей грунту;

- розроблена програма на ЕОМ для розрахунку стійкості слабких основ.

Практичне значення одержаних результатів дослідження полягає у використанні методики, яка приведена в роботі, для визначення характеристик міцності та реологічних параметрів армованих слабких водонасичених глинистих грунтів на стадії інженерно-геологічних вишукувань, а також у використанні методики розрахунку армованих слабких водонасичених основ за першою групою граничних станів, що приведена у роботі.

Результати роботи впроваджені на Донецькій залізниці. Економічний ефект за рахунок зниження вартості будівельно-монтажних робіт - біля 60.7 тис. гривень на рік, а щорічний ефект від зниження затрат на експлуатацію ділянок колії, що розташовано на слабких водонасичених основах - 50 тис. гривень. Використання запропонованого технічного рішення зменшує витрати бетону та металу у 1.5 рази, а вартість одного квадратного метра поверхні зменшується приблизно у два рази. Результати роботи використані у науково-технічних звітах, що виконані на замовлення Укрзалізниці.

Особистий внесок здобувача:

- експериментально визначені тривалі характеристики міцності армованих глинистих грунтів;

- виконані дослідження по визначенню деформативності та несучої здатності слабких армованих основ;

- з'ясовані форми втрати стійкості армованих слабких глинистих водонасичених грунтів методом центробіжного моделювання;

- виконані експериментальні дослідження несучої здатності армованих основ, що просідають, методом центробіжного моделювання (особистий внесок 30%).

- розроблена методика розрахунку армованих слабких водонасичених глинистих основ з урахуванням реологічних властивостей грунту та програмний комплекс для реалізації на ЕОМ.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи були представлені на: третій Українській науково-технічній конференції з механіки грунтів та фундаментобудування (Одеса, 1997); науково-технічній конференції з проблем транспортного будівництва (Пермь, 1998); семінарі по геотекстилям і геопластикам (Владимир, 1998); міжнародній науковій конференції «Генезис и модели формирования свойств грунтов» (Москва, 1998); науково-практичній конференції «Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми і шляхи розвитку» (Київ, 1998).

Публікації. По темі дисертації опубліковано 5 робіт.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів та загальних висновків викладених на 150 сторінках машинописного тексту; містить 65 рисунків та 15 таблиць, список використаних джерел із 181 найменування та 4 додатка.

Зміст роботи

геоматеріал армування ґрунт глинистий

У вступі обґрунтовано актуальність, викладені мета і задачі дисертаційної роботи, сформульовано основні положення, які автор виносить на захист.

В першому розділі аналізується стан питань, пов'язаних з проблемами фізико-механічних властивостей слабких ґрунтів, які мають місце у вітчизняній практиці та в закордонному досвіді методів посилення.

Властивості слабких ґрунтів досліджувались Абєлєвим М.Ю., Бабицькою С.С., В'яловим С.С., Гольдштейном М.Н., Зарецьким Ю.К., Масловим М.М., Месчяном С.Р., Тер-Степаняном Г.І., Туровською А.Я., Флоріним В.А., Цитовичем М.А. та іншими, а також закордонними дослідниками Бішопом А., Муроямою С., Шиботою Т., Шуклє Л. та іншими.

Властивостям слабких водонасичених глинистих основ та проблемам їх застосування у якості основ присвячені роботи Далматова Б.І., Доброва Е.М., Євгеньйова І.Є., Малишева М.В., Резнікова О.М., Соловйова Ю.І. та інших.

Сучасні методи посилення основ армуванням розглянуті в роботах вітчизняних вчених Казарновського В.Д., Полуновського А.Г., Брантмана Н.В. /Союздорнді/, Кима А.Ф., Сідорова В.А. /СибЦНДІБ/, Цернанта А.А., Барвашова В.А., Перкова Ю.Р., Фоміна А.П. /Гіпродорнді/, Заворицького В.Й., Товбича В.Б. /УТУ/, Тимофієвої Л.М. /ДІІТ/, а також зарубіжних вчених Відаля А., Джоунса К.Д., Журана І., Інгольда Т., Лонга Н.Т., Нараяна Д., Рісе І., Шлосера Ф., Янга З. та інших.

В результаті визначений механізм деформування слабких водонасичених глинистих ґрунтів, які використовуються у якості основ під дорожні насипи. Показано, що у більш складних умовах знаходиться верхня частина основи. Особливе значення поділяється аналізу несучої здатності слабких основ інженерних споруд.

Вперше метод армування ґрунту був розроблений французьким вченим Анрі Відалем у 60-х роках теперішнього сторіччя. Його ідея полягала в створенні матеріалу, що виконується у вигляді армуючих смуг, які укладаються горизонтально в ґрунт. Взаємодія між ґрунтом і армуючими елементами забезпечується за рахунок тертя по контакту «грунт-арматура».

Разом з тим, армогрунтові конструкції з геотекстильними матеріалами не застосовуються широко на практиці тому, що не відомо як такі споруди працюють в умовах слабких водонасичених ґрунтів, та за відсутністю методики їх розрахунку.

В другому розділі наведені методика та результати досліджень реологічних параметрів глинистих ґрунтів, армованих геотекстилем, а також особливості взаємодії піщаних засипок з різними типами геотканини.

Вивчення впливу армування геотекстилем проводилося у лабораторії. Зразки виготовлялися з глини м'якопластичної консистенції та пісків різного гранулометричного складу та щільності, що були армовані м'якими геотекстильними матеріалами. Дослідження проводились: глинистих ґрунтів за стандартною, методикою Л. Шуклє та прискореною методикою Бабицької С.С. та Туровської А.Я., піщаних грунтів - за стандартною методикою. Результати досліджень глинистих грунтів армованих різними типами геоматеріалів приведені на рис. 1-4.

Проведені лабораторні експериментальні дослідження показали, що:

- залежність параметрів деформативності та міцності від щільності ґрунту можливо рахувати лінійною; співвідношення пружних та остаточних деформацій засипок залежить від гранулометричного складу, вологості та типу армуючого матеріалу;

- ефективний модуль деформації гомогенного масиву залежить від деформативних параметрів та відсоткової концентрації геоматеріалу і ґрунтової матриці;

- характеристики міцності армованих ґрунтів визначаються опором армуючих елементів на розрив, міцністю контакту арматури та ґрунту і міцністю ґрунтової матриці, яка працює в умовах реальної споруди;

- закономірності зміни опору зрушенню, при висмикуванні з піщаних засипок, обумовлюються у щільних пісках більшим ступенем ущільненості мілких пісків у порівнянні з крупними, в нещільних пісках контактна взаємодія обумовлюється збільшенням міцності адгезіонних зв'язків та контактного опору при висмикуванні;

- доказана можливість застосування методики Л. Шуклє та прискореної методики Бабицької С.С. та Туровської А.Я. для визначення тривалих характеристик міцності армованих слабких водонасичених глинистих ґрунтів; показано, що тривала міцність армованих ґрунтів залежить від кількості армуючих прошарків і від особливостей контактної взаємодії геоматеріалу та ґрунтової матриці; при армуванні значно зростає доля пружних деформацій за рахунок чого підвищуються пружні властивості ґрунту та параметри міцності в цілому;

- на основі розробленої методики по визначенню параметрів тривалої міцності було встановлено, що тривала міцність армованих ґрунтів залежить від початкових властивостей ґрунтової матриці та умов контактної взаємодії на межі «ґрунт-геотекстиль»; зміна параметрів міцності залежить від взаємодії ґрунтової матриці і арматури, а також реологічних параметрів компонентів системи.

В третьому розділі для підтвердження характеру втрати стійкості слабких водонасичених глинистих основ і визначення впливу на його несучу здатність різних видів армування були проведені лоткові експериментальні дослідження. Всього було розглянуто чотири схеми посилення основи: одношарове армування синтетичним матеріалом, який укладався на слабку основу; двошарове з піщано-гравійним прошарком; синтетична оболонка, що заповнена дренуючим ґрунтом; посилення за допомогою георешітки, та проведено порівняння з посиленням традиційними способами - піщаними палями та подушками (рис. 5).

У якості армуючих матеріалів були використані: нетканий синтетичний матеріал Дорніт, геосітка СЖ-1 і геотканина СТПК-3 з пропілену, а також георешітка з поліхлорвінілових з'єднань.

Для виявлення впливу жорсткості споруди на слабку основу були проведені експерименти з абсолютно жорстким, абсолютно гнучким та кінцевої жорсткості штампами, що виконані з різноманітних матеріалів.

Дослідження несучої здатності проводилися в лотку з передньою прозорою стінкою. Навантаження на штамп передавалося без ексцентриситету за допомогою ручного гвинтового домкрата через шарнірну опору. Зусилля, що передавалося на штамп, фіксувалося за допомогою динамометра, що був протарований, та індикатором годинникового типу. Стабільність навантаження забезпечувалась постійним наглядом за показниками індикатора. Осідання штампа вимірювалося двома прогиномірами та індикатором вимірювання деформацій, точність вимірювання деформацій 0.01 мм.

Модель була виготовлена з глини м'якопластичної консистенції шляхом пошарового ущільнення грунту ручними трамбівками вагою 2.5 кг. Товщина кожного шару досягала не більш 2 см. Для визначення розвитку поверхонь ковзання в основі на бокову площину грунту з боку прозорої стінки була нанесена спеціальна сітка, котра давала можливість визначати критичні зусилля на основу.

Експериментальні дослідження в лотку армогрунтових конструкцій з різними схемами армування та типами арматури показали:

- вплив прошарків на форми поверхонь ковзання обумовлюються конфігурацією останніх, а зона випору має форму еліпсу і включає в роботу більшу зону основи; при цьому відбувається збільшення її жорсткості і графік деформування неармованої основи наближається до графіка неармованого щільного ґрунту; при цьому максимальні значення граничного навантаження були отримані для більш жорстких конструкцій: георешітки і геооболонки; армування основи за двошаровою схемою дає можливість отримати такий же ефект тільки у разі якісного анкерування прошарків;

- технологія укладення армуючих конструкцій дозволяє виконати армування основи у виді оболонки; такий спосіб армування не потребує спеціальних анкерних пристроїв, якість яких може впливати на несучу здатність основи; георешітки також не потребують анкерування і мають значну жорсткість на згин, що обумовлює збільшення граничного навантаження на основу; в свою чергу, одношарове армування збільшує несучу здатність основи за рахунок мембранного ефекту і в порівнянні з традиційними методами посилення не перевищує за значенням граничного навантаження;

- анкерне кріплення однорядних та дворядних конструкцій посилення залежить від коефіцієнта тертя тканини за грунтом та якості защемлення анкеру арматури у ґрунті; форма анкера повинна мати оптимальну конфігурацію з точки зору несучої здатності та економічної ефективності;

- збільшення несучої здатності основи досягається: за рахунок пружного відсічу (мембранного ефекту), збільшення жорсткості основи та зростання граничного навантаження за тришаровою армогрунтовою конструкцією.

В четвертому розділі наводяться результати центробіжного моделювання несучої здатності слабких водонасичених глинистих основ, що посилені традиційними методами та за допомогою геотекстильних армуючих елементів. Експерименти проводились на установці центробіжного моделювання ДІІТа, котра дозволяє моделювати основу з мірилом до 300.

Модель основи виготовлялась з того ж матеріалу і за тією ж технологією, що і у лоткових випробуваннях. Модель насипу виготовлялась з дрібнозернистого піску з пошаровим укладенням. Визначення деформацій насипу у декількох рівнях було проведено за допомогою горизонтальних прошарків кольорового піску.

Армування основи виконувалось: одношарове, двошарове, оболонкою та георешіткою. Матеріал арматури, схеми армування відповідали випробуванням у лотку, що дозволило у дослідженнях на центрифузі визначити дію ваги насипу на основу.

Навантаження доводилося ступенями. Збільшення числа обертів виконувалось після повної зупинки машини. Далі проводився візуальний опис моделі при даному мірилі, зняття на кальку деформацій сітки моделі та фотографування.

Випробування в машині центробіжного моделювання показали високу ефективність застосування армуючих матеріалів. Було визначено збільшення несучої здатності армованих основ від дії навантаження земляного полотна дорожніх насипів. Показані форми втрати локальної стійкості в умовах армування слабких основ та застосування піщано-гравійних заповнювачів армуючих матеріалів.

В п'ятому розділі наведена методика розрахунку несучої здатності слабких армованих водонасичених глинистих основ з урахуванням реологічних параметрів ґрунту.

Методика заснована на розгляді граничних станів при втраті загальної та локальної стійкості. В залежності від типу армування, використовуються розрахункові схеми армогрунтової балки та гнучкої нитки (мембрани) на пружній основі. Розрахунок таких елементів проводиться за методом проф. Тимофієвої Л.М.

1. Локальна стійкість.

а) Руйнування армуючих елементів.

Умова міцності армуючих елементів записується у звичайному виді, але порівнюються зусилля, діючі на одиницю їх ширини («розмазаної» у випадку армування геосітками):

N_i, (1)

де R_a* - міцність армуючого прошарку Н/м;

_{1, 2}, k_н - коефіцієнти умови роботи і коефіцієнт надійності, які приймаються для армогрунтових конструкцій.

б) Розшарування армогрунтової балки та руйнування грунту при зсуві.

Умови міцності контакту мають вид:

_t, (2)

де - нормальні напруги, діючі по кровлі армуючого прошарку;

_t - узагальнений кут внутрішнього тертя та його зміна у часі;

- дотичні напруги, діючі по контакту ґрунту з арматурою.

в) Розрахунок стійкості насипу на розповзання:

Стійкість споруди насипу вважається забезпеченою, якщо К_ст1:

К_ст=, (3)

де с - питоме зчеплення ґрунту, В-ширина підошви насипу, Q - вага насипу, _н - нормативний кут внутрішнього тертя грунту, Н - висота насипу, - питома вага насипу,

- коефіцієнт активного бічного тиску.

2. Загальна стійкість.

Загальний критичний тиск на основу визначається за методом Союздорнді:

Р_кр=Р₀+Р_тк, (4)

де Р₀ - критичний тиск на основу, визначається згідно рішенням теорії граничної рівноваги за методом Соловйова Ю.І. з урахуванням тривалого питомого зчеплення:

Р₀=Аа+Вс, (5)

де A - коефіцієнт, який залежить від кута внутрішнього тертя та параметра =b/2a;

- питома вага насипу;

а = Нm, де Н, m - геометричні параметри насипу;

с - тривале питоме зчеплення, визначається з експериментів.

Для невагомої основи:

В=ctg (e^tg-1), (6)

де - тривалий кут внутрішнього тертя, визначається з експериментів;

для вагомої ідеально зв'язної основи:

В=2+. (7)

Відомо, що епюра нормального розрахункового тиску на основу насипу приймається трапецеїдальною. Подібність епюр нормальних компонент розрахункового та граничного тиску дозволяє згідно БНіП і рішенням М.В. Малишева виконувати розрахунок несучої здатності основи. Визначення максимальної ординати трапецеїдальної епюри нормальної компоненти тиску та побудову епюри тиску для армованих основ треба виконувати з урахуванням пружного відсічу.

Треба також відзначити, що можливість визначення граничного тиску на слабку основу одночасно з безпечним тиском дає рішення визначення стійкості основи більш повним.

Р_тк= , (8)

де к - коефіцієнт, який залежить від схеми армування та умов контактної взаємодії армуючого прошарку з ґрунтом, визначається з таблиць, розроблених автором на основі результатів експериментів;

- кут розподілу зовнішнього навантаження в межах товщини піщаної подушки, визначається з таблиць, розроблених автором на основі результатів експериментів;

b - ширина насипу зверху;

В-ширина насипу знизу з урахуванням ;

f_екв - коефіцієнт тертя еквівалентного насипу з урахуванням розподілу тимчасового навантаження f_екв = tg_екв;

q_екв - навантаження від еквівалентної ваги насипу q_екв=_н Н_екв,

де _н - питома вага ґрунту насипу,

Н_екв - висота еквівалентного насипу: Н_екв=(Н_н+h_екв+h_п),

де Н_н - висота насипу,

h_екв - висота еквівалентного стовпу грунту, що замінює тимчасове навантаження,

h_п - товщина подушки;

Е_тк - модуль деформації армуючого прошарку.

Приведена методика дає можливість розраховувати локальну та загальну стійкість армованих слабких основ з урахуванням реологічних параметрів ґрунту.

Висновки

На основі проведених комплексних експериментально-теоретичних досліджень стійкості слабких водонасичених глинистих основ було встановлено:

Метод кріплення основ геоматеріалами є ефективним, що збільшує несучу здатність основи за рахунок включення в роботу сил, що виникають за контактом «грунт-геоматеріал».

Армування піщаних подушок є надійним методом збільшення стійкості основ. Проведені випробування показали зміну значення коефіцієнта тертя засипки за геоматеріалом, та геоматеріалу за слабкою основою. Отримано зміну параметрів міцності з урахуванням фактору часу.

Показаний вплив армування на форму поверхні ковзання. При цьому відбувається збільшення несучої здатності у порівнянні з неармованою основою. Величина граничного навантаження визначається типом та схемою армування.

Підвищення несучої здатності основи досягається за рахунок пружної відсічі (мембранного ефекту) при одношаровому армуванні, підвищення жорсткості основи при двошаровому армуванні та збільшення граничного навантаження армуванням геооболонкою і георешіткою.

Методом центробіжного моделювання встановлено ідентичність поверхонь ковзання з лотковими випробуваннями. Застосування геотекстильних матеріалів для армування основи збільшує несучу здатність останньої. При цьому виникає властивість пристосування конструкції до збільшення навантаження.

Найбільш ефективним з точки зору підвищення стійкості є застосування геооболонок і георешіток, коли геоматеріал разом з грунтом виконує роль анкерних пристроїв, а робота грунту наближається до умов роботи у стані компресії. Метод кріплення геоматеріалами слабких водонасичених глинистих основ найбільш ефективний у разі застосування з класичними методами посилення.

Розроблена методика розрахунку стійкості земляних споруд з використанням класичних методів та інженерного метода розрахунку локальної та загальної стійкості з урахуванням реологічних параметрів грунту. Порівняння результатів розрахунків за методикою, що пропонується в роботі, з результатами експериментів у лотку і параметрами стійкості при центробіжному моделюванні, а також з результатами класичних методів розрахунку вказує на те, що даний спосіб дозволяє достатньо повно і точно оцінювати стійкість слабких основ.

Основні положення дисертації видані у наступних роботах

Балашова Ю.Б. Экспериментальное изучение закономерностей деформаций ползучести армированных водонасыщенных глинистых грунтов в условиях одноосного сжатия. // Сб. научн. тр. ПГАСиА. Вып.2., ч. 1. Основания и фундаменты. Строительные материалы и изделия. - Днепропетровск: ПГАСиА. - 1997. - C.6-9.

Балашова Ю.Б. Реологические свойства армированных глинистых грунтов. // Придніпровський науковий вісник. - 1998. - №101 (168). - C. 87-88.

Балашова Ю.Б. Модельные испытания устойчивости армированных слабых оснований дорожных насыпей // Придніпровський науковий вісник. - 1998. - №101 (168). - C. 105-106.

Тимофеева Л.М., Балашова Ю.Б., Коробьева Р.Г. Экспериментальные исследования несущей способности армированных просадочных оснований опор искусственных сооружений. // Збірник наукових праць УТУ Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми і шляхи розвитку. - Київ: УТУ. - 1998. - C.92-95. (Виконувала модельні випробування армованих основ, що просідають на машині центробіжного моделювання).

Балашова Ю.Б. Методика визначення несучої здатності слабких основ з урахуванням реологічних параметрів ґрунту. // Збірник наукових праць УТУ Автодорожній комплекс України в сучасних умовах: проблеми і шляхи розвитку. - Київ: УТУ. - 1998. - C.88-92.

Размещено на Allbest.ru