автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Совершенствование методики проектирования армированных насыпей на основе использования математических моделей взаимодействия геотекстильной прослойки с грунтом

рг в од

Министерство просвещения Украины КИЕВСКИЙ АВТОМОБИЛЬНО-ДОРОЖНЫЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

Павлш Дмитрий Александрович

УДК 624.131.525:625.731.4

СОВЕНПЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ АРМИРОВАННЫХ НАСЫПЕЙ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МАТЕМАТИЧЕЙНИХ МОДЕЛЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГЕОТЕКСТИЛЬНОЙ ПРОСЛОЙКИ С ГРУНТОМ

Специальность 05.23.11 - Строительство автомобильных дорог и аэродромов

Автореферат

диссертации на соискание ученей степени • кандидата технически! наук

Киев - 1ЭЗЗ

Работа выполнена в Киевском авгошбильно-дорожном институте.

Научные руководители: докт.техн.наук, профессор

В-И-ЗаворицкиЯ;

ханд.техн.наук, доцент С.С.Кизима.

Официальные оппонента:

докт.техн.наук. ст.научн. сотр. Н.Ы.КризскиВ

канд.техн.наук, ст.научв. сотр. Н.Ф.Сасько

Ведущая организация

Украинский государственный институт по проектированию дорохвого хозяйства "Укргшфодор"

Завита состоится

1993 года на заседании специализи-

рованного совета Д.068.09.02 при Киевском автомобильно-дорожном институте по адресу: 2520Ю. г. Киев-10, ул. Суворова, 1, ауд. 333-а.,

С деееертадаеВ можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослав

1993 Г

Ученый секретарь спваиализированшго совета канд.техв.наук,. профессор^

Н.Н. Дмитриев

СЕДАЯ ХАРАКТЕШТШа РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание технологий, основанных пз пгргглзпз-епл новых материалов, призвано главным направлением научно-тонического прогресса. В последам 20 лэт в качество праира реагкзсцет этого направления в мировой практике дородного строительства наступает использование нвснпей, армированных геотокстщгкшз.'п прослойка-кз (ГТП). Аротрованш позволяет возводить внсскяз насыпз с отх:осг.тл повышенной крутизны, использовать при этом пексадпцконпиз грунта. В результате достигается значительная экономия затрзчязаеках пз строительство средств за счет сокращения объе?.;оз земляных работ, сужения полосы отвода, уменьшения длины водопропускных труб.

0 шсокой эффективности применения ардагрунтовыг ксЕструнштЗ свидетельствует тот факт, что сбъем изготовления синтетических полимерных материалов в каре с 1970-го года вырос в 100 раз п в настоящее время составляет более 500 миллионов :.г/год, та котор™ 70 процентов' используется при строительства дорог.

В сравнения с изложенным следует отеэтать значительное отставшие Украины, гдэ применение ГТП э дородном строительстве нэ назло долевого распространения. Прячинзка такого отставания является отсутствие ках достаточно серьезного опыта строительства з эксплуатация армированных конструкций земляного полотна, та" а подходящей методики их проектирования. йзвестнне методами проектирования явбо заяищекн от использования, т.к. содерзсат ноу-хау а тагу? пржвнять-ся лшь саккни разработчиками, либо не учитывают особзкностзй Украины , либо недостаточно совершенна.

Цельн исследования является совершенствование кэтодяка проектирования автодорояных насыпей с местным арягровангем геотеясталь-нккл прослойками на основе исследования математических кодедзй, построении с учетом новых показателей, характеризуют взаимодействие произвольно расположенной в телэ наснпи прослойка с грунте:.;, явлений и аффектов, возкпкаЕцах в зоне их контакта, п хврахтернста: прослойки, соответствующих реальным условиям ее работа в аргдогрун-товых конструкциях.

Научная новизна. Поставлена я резена задача о нопрягинно-Дбфорлированном состояшш произвольно расположенной з устойчивой часта^ наснпи геотекстильшй прослойка л находящегося з ез окрестности грунта.

Практическая ценность. Разработали методика опрвдэдзння рэс-чзтних деформатиЕних и прочностных характеристик прослойка, способа и устройства для определения показателей, харвктэрззуших взаи-

кадб£сгЕ20 прослойки с грунтам. Поденные математические модели и шчислительшв программа позволяют на основе расчетов надрягинно-дсфораярованного состояния алемэнтов армогрунтовых конструкций совершенствовать метода проектирования насыпей с цветным армированием геотекствльнши прослойками, способы и средства для кг техно-лаютеского осуществления.

Апробация работы. Основные полевения диссертационной работы йшгн прздегавлзнн на межреспубликански! научно-технических ковфв-ронщшх "проблемы строительства п вксплуатации автомобильных дорог" (Суздаль, 1992 г.), л "Проблема проектирования строительства и эксплуатации местшк автомобильных дорог" (йанск, 1992 г.).

Публикации. По материалам диссертация имеется 8 публикаций, получено авторское свидетельство нэ изобретение.

Структура в объвж работы. Диссертация состоит пз введения, четырех глав, заключения, списка литература и приложений, вместе с когорта ае объег.: составляет 315 страниц. Текст иллюстрируется 118 рисункааг к содержат 26 таблиц.

СЩЕРЕШЕ Р1Б0ТЫ

В горвоб главе проанализирована состояние вопросов, связанные с Еакхиъзаванаам ГШ для врмирования векляного полотна, реиеншэ ко-тара Сше шсвйцэеы &шого<шсленше работы В.Д.Казарновского, В.П.Загсрпцкого, Д.Г.Полуновского, О.Б.Пудова, н.Ы.Сыурова, Г.Ин-гольда, Д.Гргнвудз, В.й.Лейбмзш, В.К.Рувинского, Б.П.Брантмана, ¿.Г.Дарфиана, А.К.Скляднава , Д.Ю.Етнкеля, к других авторов.

Бодыгая честь указанных работ посвящена разработке способов кссхздовашш вшфягзЕно-дефоргларованного состояния арларованных нв-сштей apz ug:.:ozz. чнслэнных методов, широкому распространении которых в практике препятствует отсутствие ß нкх четко определенного кркгерш устойчивости. Поэтам накбольсее практическое еначеяве по-лучЕлг способа обоснования конструктивных параметров аршрозанных ЕасизаЁ, основанные на анализе предельного равновесия, имеющие четка определенная крптернГ- - коэффициент устойчивости откосов.

Кз всего многообразия способов армирования, ввиду значительной шрешокэрвости осадок в напршшнвй, локального характера разрушена каетггей, более целесообразным является местное армирование, нрл которая вроалойкс располагается в отдельнш: местах поперечного ХфсфЕяг веияяяого лолотнз ».достигается акоЕОКия, вообще говоря, ведеевкг г&слеквхахыш. материалов. Спадает признать, что насшг, Ер^пров.знныо ЕЗ вез шркку .овладей болышяз запаса®: прочности к гздоззюста. что достегвзгся, однако, за счет большего кде кенъвэго

зерерасхода геотекстильных материалов. Б связи с этим возрастает этветственность технических решений, принимаемых при проектировании гасыпей с местным армированием ГТП. Отсюда следует актуальность вопроса совершанствовшшя методики проектирования указанных насы-зей, усугубляемая тем, что известные в настоящее время методики и конструктивные схемы местного армирования предполагают, что поверх-аость прослоек в грунте тлеет форму плоскости (наклонной iura горизонтальной). Указанное предположение отражает скорее гелаемое, чем действительное положение прослоек, так как на самом деле в результате неравномерных осадок как при возведении, ток и на стадии эксплуатации насыпей, форма их может значительно отклоняться от плоскости. Следует отметить также, что положение прослойки, отличное от горизонтального, может быть задано искусственно на стадии строительства. Отсюда следует целесообразность рассмотрения общего случая, при котором проекция прослойки на поперечное сечение земполотна имеет вид произвольной кривой.

Расчет вагззейшп конструктивных параметров, в частности, длины заделки прослойки в устойчивой части насыпи, основан на использовании условия предельного равновесия по сцеплению прослойки в грунта. Ввиду значительной деформативности геотекстильных материалов во многих случаях состояние предельного равновесия наступает после того, как в армированной конструкции возникнут недопустимые деформации с потерей необходимой формы. Точное же решение задачи о деформациях в пределах используемого подхода, с использованием известных показателей взаимодействия прослойки с грунтом, принципиально невозможно из-за неопределенности краевых условий для смещения точек контакта прослойки с, грунтом.

В большинстве случаев в расчетах напряженно-деформированного состояния прослойки используется значение модуля деформации, определяемое при испытаниях на растяяениэ отрезка прослойки, не тлеющего ограничений для поперечной деформации. Определенное таким образом значения модуля деформации не соответствует реальным условиям работы прослойки в грунте (плоская задача) и требует уточнения.

Указанные недостатки приводят к тому, что выполняемые при обо-сновашш конструктивных параметров аргшровапных насыпей расчета дают результаты, отклонение которых от опытных данных монет достигать 80 и более процентов. В одних случаях это приводит к разрушения армированных насыпей, в других - к неоправданному перерасходу гео-текстилышх материалов, экономия которых в условиях Украины является актуальной задачей.

В соответствии с выполненным анализом и поставленной целью

X-937D 3

сформулированы следующие задачи исследования:

1) обоснование показателей,характеризующих взаимодействие прослойки с грунтом; _ '

2) уточнение расчетных деформативных характеристик прослойки;

3) изучение и количественное описание возникающих в зоне контакта прослойки с грунтом аффектов и явлений;

4) построение и исследование математических моделей взаимодействия -прослойки с грунтом;

5) экспериментальная проверка математических, моделей и положений, на которых они основаны;

6) разработка рекомендаций по совершенствованию методики проектирования насыпей с местным армированием ГТП и способов их практического осуществления.

Во второй главе излагаются теоретические исследования по совершенствованию методики проектирования насыпей с местным армированием геотекстильными прослойка;®.

В настоящее время для описания взаимодействия геотекстильной прослойки (ГТП) с грунтом в большинстве случаев используют угол трения и сцепление - показатели, аналогичные показателям прочности самого грунта на сдвиг. Они характеризуют лишь предельный случай взаимодействия прослойки с грунтом, соответствующий возникновении в зоне их контакта максимальных касательных напряжений и на несут в себе никакой информации ни о том, какие напряжения возникаэт в контакте до наступления состояния предельного равновесия, ни о том, какие деформации точек контакта имею при этом место.

В работах Ь.Ьокогпи и А.В.Верховского показано, что предельные касательные напряжения в зоне контакта твердых тел возникают не сразу после прилокения сдвигаищей силы, а лишь тогда, когда смещение каждой точки их контакта относительно первоначального положения достигнет определенной величины,/назвагшой предварительным смещением.

В теории трения известны также понятия жесткости сочленения Ск и средней касательной жесткости Ск ср

й г ' Р

с -- , {1) с , (2)

* д. х р й

где У - приложенная касательная сила; х - смещение; с1 - предварительное смещение, используемые для расчета контактного взаимодействия металлов.

непосредственно использовать указанные понятия для случая взаимодействия прослойки с грунтом невозможно в связи с тем, что смещения точек их контакта не одинаковы по длине ГТП, а сдвигающая

сила распределена неравномерно.

Касательные напряжения т^ силы трения в каждой точке контакта ГТП с грунтом можно представить в виде:

= с u, u < d;| (3)

т^ = 1 г, u St dfJ _ (4)

где и— смещение точки; г - нормальное давление; 1 - коэффициент трения; й - предварительное смещение.

Коэффициент пропорциональности с будем называть касательной жесткостью контакта (KHK) ГТП с грунтом.'Она имеет размерность Да/м и с физической точки зрения представляет собой обусловленное трением касательное напряжение при смещении, равном единице.

. Зависимость,аналогичная (3), использовалась В.А.Флориным при описании касательных нагрузок от сил трения в анкерных понурах гидротехнических сооружений. Коэффициент пропорциональности вводился по аналогии с.коэффициентом постели и назван коэффициентом постели для сдвига.

Вместо выражения (4) .»ложно было бы использовать двучленный закон трения. Однако, в этом случае усложняется построение и исследование математических моделей взаимодействия прослойки с грунтом, а также повышается трудоемкость определения составляющих указанного закона на практике. Будем считать, что уже на стадии проектирования армированных конструкций можно получить достаточно точную оценку нормального давления, при котором будет работать прослойка, а вместе с этим принять соответствующее ему значение коэффициента трения.

Как предварительное смещение, так и КЖК являются комплексными показателями, взаимодействия грунта и прослойки, которые нужно рассматривать как специфические константы (как, например, угол внутреннего трения п сцепление для грунта), характеризующие не тот или иной грунт или прослойку в отдельности, а именно их контактное взаимодействие.

Из выражений (3) и (4) следует зависимость меэду рассмагриваекы-ми показателя?.®: f ?

с =-. (5)

d

Постановка задачи построения математических моделей заключалась в следующем (рис. I). На прослойку, проекция которой на плоскость поперечного сечения земляного полотна имеет вид произвольной кривой KNQ, описываемой известной вектор-функцией

г = (Xj, + ХО))?, + (ZK + z(a))§3, (6)

аресте с которой в каждой точке определены единичные векторы - ка-

1Х-037в

5

сательный т и нормальный в точке N пересечения ее с поверхностью скольжения приложена сила Т1, обусловленная дефицитом устойчивости откоса. В произвольной точке А прослойки, также как и в других точках, приложен вектор Р равнодействующей внешних сил. Зависимость Т = г1 ( бв), между силой натяжения прослойки и относительной деформацией, которая после определенного промежутка времени считается установившейся, предполагается известной. При всех указанных обстоятельствах необходимо было построить математические модели взаимодействия прослойки с грунтом, позволяющие исследовать напрякешю-деформированное состояние элементов насыпи с местным армированием ГХП. Полное решение указанной задачи связано с большими трудностями даже'При отсутствии прослоек. Поэтому мы ограничились рассмотрением только напряженно-деформированного состояния прослоек и той части грунта, которая находится в окрестности прослоек, т.е. вблизи зоны их непосредственного контакта, полагая, что именно в втой зоне возможны явления и процессы, которые для армированных'насыпей являются расчетными.

■ Точность получаемых с помощью математических моделей .розультатоЕ сильно зависит от того, насколько входящие в них характеристики прослойки соответствуют действительности.- Зависимость силы натяке-нкя от относительной деформации уточнялась путем добавления известного в теории упругости множителя, содержащего коэффициент поперечной деформации ц '

о

х'де Е - модуль деформации, определенный при испытаниях на растяжение отрезка ГШ.

Применение силы натяжения для характеристики напряженного состояния ГТП основано на аналогии с механикой деформируемых одномер-кых тел переменной длины. Можно сказать, что это не совсем удачная аналогия, т.к. в указанной-области механики рассматривают тела в стадии упругих и малых продольных'деформаций без боковой нагрузки, .когда поперечные деформации считаются бесконечно малыми, площадь поперечного сечения - постоянной. При взаимодействии ГТП с грунтом толщина, ее сильно изменяется как вследствие нормального давления грунта, так и вследствие ее растяжения. При одной и той «е силе натяжения в случав разлитой толщины'прослойки напряжения в ней будут различными. Поэтому для более точного описания напряженного состояния прослойки предлагается использовать зависимость истинного напряжения, под которым понимается отношение силы натяжения

6

к фактической площади поперечного сечения от относительной деформации, в виде:

во

где коэффициент поперечной деформации ГТП в нормальном к ее поверхности направлении; б01- толщина ГТП при отсутствии растягивающей нагрузки, которая представляется в виде функции

0О1 = V- <9>

где ау- нормальное к поверхности ГШ давление; 80~ толщина ГШ.в открытом воздухе.

В ходе решения третьей задачи исследован эффект клина. Предположение о наличии такого эффекта возникло при сравнении опытных и расчетных данных о величине удерживающей ГТП в грунте силы, полученных в Союздорнии. Опытные-данные превосходили расчетные, что свидетельствовало о наличии некоторого дополнительного сопротивления, природа которого до сих пор не была установлена. По нашему предположении, указанное сопротивление связано с эффектом клина, обусловленным неравномерностью действительной толщины б^ ГТП при растяжении, зависящей от относительной деформации

'Значение ев больше на конце прослойки, в месте приложения выдергивающей силы. Поэтому ГТП в продольном сечении приобретает форму клина, что приводит к возникновению дополнительных касательных напряжений (рис.2), для общего вида которых найдено выражение:

^кл = оу|Е(?.ё3)(ё,,5) - (г.ё^ёз.у)! б01 (И)

Построение математических моделей взаимодействия ГТП с грунтом основывалось на составлении уравнения равновесия бесконечно малого отрезка прослойки длиной (1в я ишриной_1 м_(рис.3) под действием приложенных к нему сил натяжения Г и I", действующа соответственно с правой и с левой "стороны отрезка, и равнодействующей ? внешних сил, в число которых входят вертикальная нагрузка от вышележащего слоя грунта, обусловленная боковым давлением грунта горизонтальная нагрузка,'нормальная реактивная сила давления грунта а сила трения прослойки с грунтом, в общем случав имевдая 2 составляйте - верхнюю и нижний, и сила, обусловленная эффектом клине.

При проецировании указанных сил на вектор % учитывалась особенность передачи касательной нагрузки на верхнш поверхность. 2-0Э7в 7

Рис.1. К постановка задачи построения ыатеязтнческшс ' моделей.

Рис.2. Эффект клана. Рис.3.- К составлении уравнений

рэвновесия.

Рис.4. Особенность передачи касательной нагрузки.

8

ГТП, установленная с использованием известного в теоретической механика понятия конуса трения дом тела, находящегося не наклонной площадке (рис.4). Если угол с^ между направлением силы тяжести и нормалью к поверхности удовлетворяет условию с^с ф2= аг^е X, то тело останется в состоянии покоя или сцепления с поверхностью, так как сдвиганцая сила 32= С^зЗл с^ уравновешивается равной ей го величине силой трения Р^. При о^ > ф2 величина сдвигающей силы определяется по-прежнему, а для силы трения имеем

^гС08 • ТакЕМ образом, в последнем случае поверхность воспринимает нб всю сдвигающую силу, а только часть ее, равную по модулю силе трения, и для касательного напряжения на поверхности имеем

л =

х =

S

sin с^, dg « ф2

соз

«г > Ъ

'г*

(12)

где S- площадь основания тела.

Превышение сдвигавдей сила над силой трения обусловливает возникновение реакции упругой связи, которая на рис.4 представлена в виде динамометра Д. Если вместо тела А рассматривать соответствующий, ему объем грунта, ограниченный сверху поверхностью грунтового массива, то, йрв отсутствии упругой связи, указанное превышение обусловливает боковое давление грунта, а особенность передачи касательной нагрузки на наклонную площадку, в том числе и на поверхность ГШ, тает© имеет место.

В соответствии с указанной особенностью построенные математические модели взаимодействия грунта с ГТП для участков прослойки, смевдих различный угол наклона к горизонту, отличаются друг от друга. Они получены в виде систем неоднородных дифференциальных уравнений до второго' порядка включительно относительно силы натяжения, относительной деформации ПП и смещения точек контакта ее с грунтом дум случаев, когда скалярным аргументом функции (6) является как длина прослойки а, так и длина ее горизонтального прояо-вения х. Для участков прослойки, где с^ < arctg гв, в случае г » г(з) указанные системы уравнений имеют вид:

i di ...

+ тШ - zK-z)z х U-D- tTpM - О;

В ав

А

т в

+ 7(3 - 2к-2)

<£ г х - г д) /г2**2

+ г « О,

г -837в

'О Й£

— —® + 7<Н - г,-г)ъ х (5-1) - т_ н = О;

1 - у2 йз ' к «Р-и

/57 в'

2 _ .

(521-21) ЕОев + " -+ г = О»

О В К у-

1 - 4 - +

Ео йги

1 - а^ + 7(Н ~ 2к"г)2 * СМ) " = 0:

/г2 + а'

г . ' •

йи (5 2 х - I х)

Е — + 7<Н - г-г) -- ■ -■ + г = 0.

и л- К /I

+ а2

(15)

„ Для участков прослойки, где аг > хв, в случае г « г(г)

1 щ 1 'в?® " «¡Г®* '

^СЯ ~ ''"Тр.В =

,_, +-(£Й,2+1) з^Гг'(5-1)1-

В ^ /77^ : " + ^^ ; 1 -1

у 7(Н - 2^-2)55"

---— - - (5г'2 + 1) + г = О,

г{ + г,е\г в (1 + 2»г)!2"|

Ео ^в .1 ^тШ-^-г) • ' \ -?- .............. +-(£а,г+1 )З12П[Е* (5-1) I

- и? а® /777Г (1 +

(16)

I2 I Ба Т<Н - гк-г;)2

(5а,г +1) + г = О,

2 3

(1 + г'2)2 (1 + 2'г)1г"|

Ео 1 а2и Ео г- г» ап

(17)

1 - ц2 1 + г'2 йх2 1 - м{? Г1 + I 7(Н -2-2)

+ -(£а.г+1) 818Гф.(М)] _ ^ _ т = 0;

(1 + .2* )

Ео ¿и Т<н - ак~2)г"

___ -----(5г,г + 1) + г = 0.

1 ^ (1 + г'2]2 ** <1 + г'2)|а"1

Выбор конкретной модели зависит от потребностей пользователя и решаемых им задач, связанных с определением Т. еа или и.

При исследований математических моделей рассмотрены некоторые частные случаи расположения ГТП в устойчивой части насыпи. При горизонтальном расположении в зависимости от величины Т на ее протяжении возможно возникновение участка с предельным касательным напряжением, левая граница х* которого удовлетворяет условиям: О ^ х* < I (рис. 5). Получена зависимость для определения х * и формулы для вычисления характеристик напряженно-деформированного состояния прослойки и находящегося в ее окрестности грунта. Примеры втор е&, ^тр в и и Щ^ДОтавлевы ва рио.5.

При исследовании заложения ГТП, отличного от горизонтального, рассмотрены случаи, когда проекция прослойки на плоскость поперечного сечения земполотна имеет вид отрезка круговой кривой» обращенной выпуклостью вниз и вверх.

В случае криволинейного заложения ГТП имеет место эффект обжатия грунта прослойкой, заключающийся в возникновении дополнительного нормального давления аоб в зоне контакта ее с грунтом, величина которого определяется значением первого члена каждого из вторых 'уравнений систем (13)-(18), а направление совпадает с вектором V (рис.6). Если ГТП в устойчивой часта насыпи расположена выпуклостью вверх, указанный эффект способствует увеличению касательных напряжений в зоне контакта нижней поверхности прослойки с грунтом, за счет чего удерживающая сила увеличивается. При расположении ГТП выпуклостью вниз эффект обжатия приводят к разгрузке нижнего слоя грунта. Давление в зоне контакта ГТП с верхним слоем грунта при'атом не увеличивается, так как зависит только от собственного веса и бокового давления грунта, находящегося выше прослойки. В результате удерживающая сила уменьшается, что свидетельствует о нецелесообразности заложения прослойки в устойчивой части насыпи выпуклостью вниз.

Во всех случаях заложения прослойки исследованы зависимости

V Т' V ттр.н гтр.в и и от V V Гн,Гв'. 1 0 дагих Факторов-Установлено, в частности, что при расположении прослойки в устойчивой части насыпи в виде отрезка круговой кривой, обращенной выпуклостью вверх,на ее поверхностях мобилизуются касательные напряжения большие, чем при горизонтальном заложении (рис.7). Возникающий за счет этого выигрыш в удеркивагадей силе при одинаковой длина прослойки может достигать 5555. Полученные при исследовании математических моделей результаты и выводы явились теоретическими предпо -сылкамя совершенствования методики проектирования насыпей с местным армированием ГТП.

/

s

в» N К

О

-Г »Л

Длинэ прослойки , JJ

Рве.5. Эпюры с5, и-.Ттр.в-

•.- "л: • -

Ряс.6. Эффект о<5кзи!Я грунта. 12

ГТТТТТТП0 ■ав

1, 1 I I 1 < Д.Ко 3 3

Эпюра г ,КПа

Рис.7. Эпюры касательных напряжений при криволинейном и горизонтальном зажжении прослойки.

В третьей главе приводится описание экспериментальных исследований, основной целью которых являлась проверка адекватности математических моделей процессу взаимодействия ГТП с грунтом.

Определение необходимых для расчета деформативных характеристик прослойки Ео,8о1 и производилось при испытаниях отрезка ГТП на растяжение, при которых фиксировались растягивающая нагрузка й линейные размеры как всего отрезка, так и выделенной в центре его области, первоначальное очертание которой имело форму квадрата размерами 3x3 см. В качестве расчетных приняты те значения Е ои ру, которые соответствуют зависимости размеров выделенной области от растягивающей нагрузки, так как на деформации отрезка в целом оказывают значительное влияние зажимы, ограничивающие поперечную, а вместе с этим и продольную деформацию вблизи его начала и конца.

Испытания отрезка прослойки на растяжение в открытом воздухе сопровождаются уменьшением его ширины и концентрацией материала в середине отрезка, что привело к результату, обратному оаидаемому-увеличению толщины прослойки при увеличении ее длины. Это настолько искажает действительные условия работы прослойки в грунте, что определение Цу непосредственными измерениями а вычислениями становится кевозможным. Поэтому предложен расчетный способ определения основанный на определении деформации тавтия прослойки из условия, что ширина ее произвольного элемента остается неизменной до и посла растяжения.

Общий вид функции (9) найден исходя из предположения о том, что

13

Эпюра г ,КПз

степень уменьшения толщины прослойки пропорцаональна толщине:

• -чв01- <»>

С учетом краевого условия оу= О, е01 =80, получено

0о1= 0о е-*Ч (20)

где q- постоянная для ГТП характеристика, названная коэффициентом сжатия, величина которого определяется по данным испытаний прослойки на сжатие.

Отклонения вычисленных по формуле (20) значений толщины прослойки от опытных данных не превышали Ъ%.

Б результате лабораторных испытаний получены численные значения параметров Ес, (^г ч прослойки, позволяющие определить функцию (8). Используемые при этом способы легли в основу разработки методики определения расчетных характеристик ГШ.

Исследование взаимодействия ГТП с грунтом производилось на специально изготовленном стенде, включавшем желоб призматической формы, передняя стенка которого была выполнена из стекла, и устройство для яагружения прослойки выдергивавдей силой. В кэлобе с послойным уплотнением и укладкой прослоек возводились модели армированных конструкций земляного полотна. При помощи специального приспособления приложение выдергивающей силы осуществлялось на некотором удалении от откосов модалк в толще грунта, как это имеет место в действительности.

При горизонтальном полоеэшш ГТП определяли зависимость мевду величиной ввдергиваэдеЁ силы и значениями смещений точек прослойки и находящегося в ее окрестности точек верхнего и низшего слоя грунта, первоначальное 'Пологение которых фиксировалось метками на стекле и отециально пробуренными сквагзшами диаметром 1,8 №. Определение необходимых для расчетов значений касательной жесткости контакта, предварительного смещения и коэффициента трения производилось с помощью специальна изготовленных устройств, одно из которых реализует призванный изобретением способ определения силы трения покоя материалов. Сравнение данных измерений и расчетов при наличии и при отсутствии трения грунта о боковые стенки стенда производилось с помоцьв статистических критериев, вычисленные в обоих случаях значения которых свидетельствовали об удовлетворительном совпадешь данных опытов с расчетов.

Перед исследованием взаимодействия прослойки с грунтом в случаях ее распологания, отличных от горизонтального, при помощи прп-

14

способлеяия, изображенного на рис.4, установлено, что особенность передачи касательной нагрузки на наклонную площадку действительно имеет место. Необходимое для расчетов значение коэффициента бокового давления грунта определялось как отношение относительных деформаций заложенных в грунт поролоновых датчиков размера!,от 3x3x8 см. Для условий экспериментального стенда оно оказалось-весьма незначительным и принято равным нулю.

Сравнение экспериментальных и расчетных значений силы, удерживающей в грунте прослойку, заложенную таким образом, что ее проекция на стенку стенда имела еид отрезка круговой кривой, обращенной шпуклостыэ вверх, показало, что их отклонения не превышают 123.

Если учесть, что некоторые используемые в западноевропейских странах методики проектирования армированных конструкций предусматривают -десятикратный запас прочности, то результаты сравнения опытных и расчетных данных можно считать вполне удовлетворительными, а математические модели взаимодействия прослойки с грунтом и выводы, полученные при их исследовании, следует признать пригодными для практического применения.

Четвертая глава посвящено разработке практических рекомендаций.

прочностных_характ8ристик_ГТП по результатам лабораторных исследований. Методика заключается в выполнении измерительных и вычислительных операций, в результате которых определяются параметры Е ,

50, ц, а также предел прочности о^р. и относительная деформации при разрыве е^15 прослойка. Методика не требует применения специальных прзгборов, а полученные с ее помощью результаты более точно соответствуют реальным условиям взаимодействия ГТП с грунтом, чем те, которые определяются обычным способом.

насыпей с местным армированием.ГТП, относящиеся к выбору армирующего материала, ориентации ГТП в насыпи, конструирования и расчету задели! прослойка в устойчивой части зешолотна, .

Рекомендации позволяют запроектировать армированную насыпь так, чтобы одновременно выполнялись дво условия. Первое из них состоит в том, чтобы приходящаяся на каждую прослойку выдергивавшая сила нз была слишком малой и обеспечивала па все),! протяжении ее заделка в устойчивую часть насыпи близкие к предельному значении касательные напряжения силы трения. Иначе последние возникнут только на ограниченном участке в конце прослойки, а нз остальном ее протяжении они окажутся незначительными и но будут вносить сколько-нибудь су-, ществешшй вклад в величину удерживающей силы, что означает пялрас-

15

шй расход гвотекстааьшго кетергада. Второе условие заключается в том, чтобы приходящаяся на кавдув прослойку выдергивающая сила не была слишком большой. Иначе возможны два нежелательных исхода. Пар-вый из них состоит в том, что смещение в точке пересечения прослойки с поверхностью скольжения превысит значение допустимого смещения, в результате чего насыпь потеряет необходимую форму. Второй из них заключается в том, что в указанной точке относительная деформация и продольное напряжение превысят в^р1 и с^?, в результате чего прослойка порвется.

С целью экономии геотекстильвого материала заложение прослойки в устойчивую часть насыпи следует производить таким образом,чтобы ее проекция на плоскость поперечного сечения земляного полотна имела вид кривой линии, обращенной выпуклостью вверх. При атом следует добиваться того, чтобы угол между нормалью к. поверхности прослойки и вертикалью был меньше агс1£ 1в, а радиус заложения при выполнении этого условия был минимальным. Прослойка, расположенная таким образом, способна обеспечить большую удерживающую силу, чем расположенная горизонтально, за счет эффекта обжатия нижнего слоя грунта, приводящего к увеличению давления, а вместе с ним,- и к увеличению касательных напряжений в йоне контакта прослойки с нижним слоем грунта и за счет вовлечения в работу той части верхнего слоя грунта, который находится над криволинейным участком прослойки в состо-•янии сцепления с ней и обусловливает, из-за наклона опорной поверхности, возникновение дополнительных касательных напряжений в зоне контакта с ним верхней поверхности прослойки.

Практическая реализация рекомендаций осуществляется при помощи расчетного аппарата, в состав которого входят формулы и вычислительные араграоды для обоснования конструктивных параметров армированных насыпей, расчета напряженно-деформированного состояния ГГП, находяще гося в ее окрестности грунта и определения технологических размеров.

Разработаны рекомендации по технологии строительства в виде технологических схем, реализующих 2 способа возведения насыпей с местным армированием ГГП с использованием распространенных средств механизации. Возможность применения каждого из* предлагаемых способов зависит от технических возможностей строительной организации, геометрических размеров возводимого земполотна, свойств грунта, прослоек и других факторов.

механизации в вида маркера, рабочая поверхность которого Еьшолнена в виде конуса с криволинейными образующими, предназначенного для создания углублений в слабых грунтах при заложении прослоек и уплотнения грунта под участком за-

легания прослойки, а такта в виде универсального катка, изменяемая рабочая поверхность любой формы которого создается комбинацией сменных дисков разного диаметра.

Эф^к7™дость_месгного_армирдватая как способа повышения устойчивости откосов земляного полотна доказана ранее выполненными исследованиями и международной практикой дорожного строительства. Сопоставление конструктивных решений, принятых с учетом результатов исследования (связанных с уточнением расчетных деформативных и прочностных характеристик прослойки и с заложением прослойки в ус-, тойчивой части нвсшш, отличном от горизонтального), показало, что они позволяют уменьшить число прослоек в 2-3 раза и получить экономию геотекстильного материала на 20-40% по сравнении с решениями, основанными на использовании известных методик проектирования насыпей с местным армированием ГГП.

В заключение следует отметать, что разработанные рекомендации не исчерпывают всей области возможного применения построенных математических моделей. С их подацьв мокно описывать взаимодействие ГТП с грунтом при расчете и конструирования армированных насыпей в случаях залоиэпия прослойки самыми'различными способами, в том числе в виде полуобойм и обойм. Единственное ограничение состоит в том, чтобы функция, описывающая линию, совпадающую с проекцией прослойки за плоскость поперечного сечения земляного полотна, била непрерывной вместе со своими производными до второго порядка включительно.

3. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. РАБОТЫ

1. Обоснованы показатели - касательная кесткость контакта п. 1редварительное. смещение, характеризующие взаимодействие геотек-зтильной прослойки с грунтом и установлена связь между ними. Разра-5отаны способы и устройства для их определения. Для более точного зписания напряженного состояния прослойки предложено использовать зависимость истинного продольного напряжения от относительной деформации. Разработана методика определения расчетных характеристик фослойки, соответствуйте реальным условиям' ее работы в армогрун-говых конструкциях.

2. Установлен и исследован эффект клина, возникающий при взакмо-юйствии прослойки с грунтом, заключающийся в возникновении допол-ительных касательных напряжений в зоне-их контакта, обусловленных юравномерностыо толщины прослойют при растяжении. Предложены выразе-тя для количественного учета эффекта клипа. Получено его экспери-юнтальное подтверадение.

3. Установлена и исследована особенность передачи касательной

нагрузки на верхнюю поверхность прослойки, заключающаяся в том, что при определенном угле наклона поверхности прослойки к горизонту контакт сцепления нарушается и имеет место контакт трения. Установлены условия, при которых указанная особенность имеет место. Получено ее экспериментальное подтверждение. С учетом указанной особенности уточнена известная зависимость касательных напряжений на наклонной площадке от угла наклона в случае ее применения для грунтов.

4. С использованием принятых показателей и характеристик прослойки, с учетом эффекта клина и особенности передачи касательной нагрузки, построены математические модели взаимодействия грунта с прослойкой для случаев, когда проекция прослойки на плоскость поперечного сечения земляного полотна имеет вид произвольной прямой или кривой линии. Их использование позволяет полностью описать напря-жешо-деформированное состояние прослойки к находящегося в ев окрестности грунта, в том числе определять смещение любой точки их контакта, тем самым решить задачу о деформациях элементов армогрун-товой конструкции, что в пределах известного подхода к обоснованию ее конструктивных параметров было принципиально невозможно.

5. Установлен имеющий место место при криволинейном заложении прослойки эф£окт обжатия грунта, заключающийся в возникновении дополнительного нормального давления в зоне их контакта, обусловленного силой натяхгения. Эффект позволяет мобилизовать на ее поверх-, костях больше, чем при-горизонтальном расположении прослойки, касательные напряжения трения. При одинаковой длине прослойки выигрыш в удерживающей, силе может достигать 50 и более процентов,

6. Экспериментальными исследованиями, проведенными с использованием специально изготовленных стенда и устройств, доказана адекватность математических моделей процессу взаимодействия прослойки" с грунтом и справедливость принятых при их построении пологиэнцй.

7. Разработаны рекомендации по совершенствованию методики проектирования насыпей с местным армированием геотекстильными прослойкам, касающиеся выбора геотекстилыюго материала, ориентации прослойхш в насыпи и обоснования конструктивных параметров с использованием программ для ЭВМ. Разработаны способы технологического осуществления рекомендаций с использованием распространенных средств механизации. Предложены нетрадиционные средства механизации.

8. Практические рекомендации дают возможность принимать технические решения, позволяющие уменьшать число прослоек в 2-3 раза и получить экономию геотекстильного материала на 20-40 % по сравнению с решениями, основанными на использовании известных методик проектирования насыпей с местным армированием геотекстилькыми прослойками.

18

Список опубллксвапкых^работ та теме диссертации

1. Заворицкий В.И., Павлюк Д.А., Кизима С.С. К вопросу о напрягяэн-по-деформпрованнсм состоянии грунтового массива с геотекстлль-ной прослойкой. Деп. в УкрИНТЗИ 22.05.92 г. ß 705-УК.92 г.,

12 С.

2. Заворицкпй В.И., Ивапица Е.В., Павлик Д.А. О зависимости модуля упругости грунта от гесткости боковых ствпок обойми. Дэп. в

. УкрИНГЭИ 22.05.92 Г., а 704-УК.92, 6 с.

3. Заворицкпй В.И., Павлик Д.А., Кизима С.С. Клиновый эффект при взаимодействии гэотекстильной прослойки с грунтом. Деп. в УкрИНГЭИ 13.07.92 г., & Ю64-УК.92, 7 С.

4. Заворицкпй В.И., Павлкк Д.А., Кизима С.С. К вопросу об оценке касательной кесткости контакта геотекстильной прослойки с грунтом. Деп. в УкрИНГЭЙ 13.07.92 г., И ЮбЗ-Ук.92, 7 с.

5. Заворицкпй В.И., Павлюк Д.А. Математические модели взаимодействия геотекстильной прослойки с грунтом. Сб. тезисов докладов межреспубликанской научно-технической конференции "Проблемы строительства и эксплуатации автомобильных дорог". Суздаль, 1992, с.21-22.

6. Заворицкий В.И., Павлик Д.А. Уточнение расчетных деформатив-шх характеристик геотекстильной прослойки. Сб. тезисов докладов межреспубликанской научно-технической конференции "Проблемы строительства и эксплуатации автомобильных дорог". Суздаль, 1992, с.95.

7. Способ определения силы трения покоя материалов. / Павлюк Д.А., Кизила С.С., Андреев С.И., Лебедев A.C., Кизила С.С. Авт. св.

Я 1467456.-Опубл. в Б.И. М II 23.03.89.

8. Заворицкий В.И., Павлик Д.А. Совершенствование расчета аркиро-

• ванных насыпей. Сб. тезисов докладов межреспубликанской научно-тзхянческоЗ конференции "Проблемы проектирования строительства и эксплуатации местных автомобильных дорог". Нинск, 1992, с. 2122.

9. Заворицкий В.И., Павлис Д.А. Уточнение расчетных характеристик геотекстильной прослойки. Сб. тезисов докладов меярэспублккан-ской научно-технической конференции "Проблемы проектирования строительства п зкеплуатеции местных автомобильных дорог". Нкнск, ISS2, о. 59-60.