автореферат диссертации по строительству, 05.23.02, диссертация на тему:Повышение несущей способности нагруженных грунтовых массивов армированием геосинтетическими материалами

На правах рукописи

Дыба Петр Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ НАГРУЖЕННЫХ ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ АРМИРОВАНИЕМ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ

Специальность: 05.23.02 - Основания и фундаменты, подземные сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 8 НОЯ 2013

Волгоград - 2013

005541506

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (НПИ)имени М.И. Платова»

Научный руководитель: Павлющик Сергей Александрович

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты: Евтушенко Сергей Иванович

доктор технических наук, профессор, директор ГБОУ СПО РО «Новочеркасский машиностроительный колледж»

Олянский Юрий Иванович доктор геолого-минералогических наук, доцент ФГОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» кафедры «Гидротехнические и земляные сооружения»

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Новочеркасская

государственная мелиоративная академия»

Защита состоится «19» декабря 2013 г. в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 в ФГОУ ВПО Волгоградском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 400074, г.Волгоград, ул.Академическая, 1, ауд. Б-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «18» ноября_2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Акчурин Талгать Кадимович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы диссертации

Широкое распространение в современном строительстве получили конструкции из геосинтетических материалов, в том числе композитных (полимерных и нано-) материалов. Грунтонаполняемые оболочки, замкнутые и незамкнутые, применяются для укрепления оснований и фундаментов зданий и сооружений, особенно в случае техногенных грунтов, в качестве разгружающих элементов при строительстве подпорных стен, в дорожном строительстве для разделения слоев, дренирования и армирования.

Однако методы расчета сооружений с грунтонаполияемыми оболочками по предельным состояниям требуют своего развития. При расчете конструкции, состоящей из уплотненной песчано-гравийной смеси, заключенной в «мешки» из геотекстиля, по второму предельному состоянию применяется классический метод конечных элементов. При этом среда считается упругой с модулем упругости не меньшим 20 МПа. Рассчитанные осадки получаются, как правило, больше наблюдаемых осадок. К недостаткам метода расчета можно отнести и произвол в назначении предельных осадок. Расчет описанной конструкции по несущей способности, по первому предельному состоянию, поиск предельной нагрузки на конструкцию является актуальной задачей, не имеющей в настоящее время удовлетворительного решения.

Без знания предельной нагрузки на сооружение до и после укрепления сооружения геосинтетикой нельзя оценить эффективность и экономическую целесообразность применения геоматериалов.

Предложенные новые методы расчета армированных геосинтетикой откосовдолжны быть протестированы экспериментально.

Решение проблемы включено в направление развития технологии транспортных систем РФ до 2015 года и Федеральную целевую программу «Модернизация транспортной системы России».

Цель диссертационной работы:

Разработка методов расчета несущей способности нагруженных грунтовых массивов армированных геосинтетическими материалами.

Для достижения поставленной в диссертационной работе цели решены следующие задачи:

- проведен анализ научной и проектной литературы по использованию геосинтетики в новых строительных конструкциях в дорожном, гражданском, промышленном строительстве и освоении городских территорий;

- исследованы существующие методы расчета укрепленных геосинтетикой откосов по первому предельному состоянию и сделан вывод о необходимости развитиятаких методов расчета;

- разработано предложение о моделировании массивов из уплотненной песчано-гравийной смеси с прослойками геотекстиля эквивалентной сплошной грунтовой средой, анизотропной по сопротивлению сдвигу;

- найдены нижние оценки несущей способности склонов и откосов, укрепленных геосинтетикой;

- найдены простейшие верхние оценки несущей способности откосов, укрепленных геосинтетикой;

- проведены модельные лотковые исследования по нагружению укрепленных геосинтетикой откосов при соблюдении геометрического и физического подобия;

- предложено экспериментально проверенное правило по пересчету прочностных характеристик геосинтетики в сцепление эквивалентной сплошной среды, анизотропной по сопротивлению сдвигу.

Научная новизна работы:

1. Решена новая задача о предельной полосовой нагрузке с пригрузкой на грунтовое основание, послойно армированное геоматериалами.

2. Получены верхние и нижние оценки несущей способности склонов и откосов, укрепленных геотекстилем.

3. Впервые проведены лотковые испытания откосов, укрепленных геосинтетическими материалами, при возрастании нагрузкидо предельной.

Достоверностьповых результатов обеспечивается использованием общепризнанных методов и законов механики сплошной среды, предельного анализа пластических систем, применением для численных расчетов

стандартных программ,использованием достоверных экспериментальных данных.

Практическая ценность работы

Появляется возможность уже не только качественно, но и количественно оценить увеличение несущей способности грунтового массива в результате укрепления его геосинтетическими материалами. Следовательно, возможна и экономически строгая оценка проектных решений, в которых применяются геосинтетические материалы.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на бизнес - форуме «Дорожно - Мостовое хозяйство Юга России» (04.12.2008, Ростов-на-Дону), на Первом всероссийском дорожном конгрессе (г.Москва, МАДИ 28-30 января 2009г), на всероссийской научно-технической конференции «Механика фунтов в геотехнике и фундаментостроении»(г. Новочеркасск 7-8 июня 2012г.), на научных семинарах Ростовского регионального отделения Российского общества по механике грунтов, геотехнике и фундаментостроению, на ежегодных научно-технических конференциях строительного факультета ЮРГТУ (НПИ).

Личный вкчад автора заключается в:

- постановке задачи диссертационного исследования;

- предложении использовать при определении несущей способности армированных геосинтетикой грунтовых откосов использовать модель среды,анизотропной по сопротивлению сдвигу;

- нахождении нижних оценок несущей способности армированных геосинтетикой грунтовых откосов;

- нахождении простейших верхних оценок несущей способности армированных геосинтетикой грунтовых откосов;

- проведении экспериментальных исследований по нагружению армированного откоса;

- сравнении результатов теоретических исследований с опытными данными.

На защиту выносятся:

1. Решение задачи о предельной полосовой нагрузке с пригрузкой на грунтовое основание, послойно армированное геоматериалами.

2. Методы нахождения верхних и нижних оценок несущей способности склонов и откосов, укрепленных геотекстилем.

3. Результаты лотковых испытаний откосов, укрепленных геосинтетикой, при возрастании нагрузки до предельной.

4.Сравнительный анализ теоретических и зксперимнтальных значений несущей способности грунтовых откосов.

Внедрение результатов

Результаты исследований переданы для апробации на практике в ООО «Геоматериалы» г. Новочеркасска

Материалы диссертационных исследований используются в специальном курсе «Моделирование оснований и информационные технологии», в курсе «Механика фунтов», которые читаются студентам специальности ПГС.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы изложено в 10 опубликованных работах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 75 наименований, и приложений. Полный объем диссертации- 130 страниц, включая 40 рисунков и 10 таблиц.

Автор выражает искреннею благодарность своему научному руководителю С.А. Павлющику за ценные советы и внимание к диссертационной работе, а также Н.М. Бондаренко за помощь в проведении экспериментальных исследований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В диссертации сделаны ссылки на работы отечественных и зарубежных ученых. В библиографическом списке Аринина Э.В, Антоновский Д.М., Ахпателов Д.М., Бугров А.К., Бартоломей A.A., Богомолов А.Н., Голубев

A.И., Гольдштейн М.Н., Долматов Б.И., Дыба В.П., Зарецкий Ю.К., Ильичев

B.А., Козлов Ю.С., Куликов К.К., Мурзенко Ю.Н., Малышев М.В., Маслов H.H., Павлющик С.А., Соколовский В.В., Соловьев Ю.И., Сорочан Е.А., Тер-Мартиросян З.Г., Устинова O.E., Федоровский В.Г., Цытович H.A., Чугаев P.P., Шахунянц Г.М., Школа A.B., RestS., WernerG. и многие другие.

Во введении аргументируется актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель работы и этапы её достижения, указана научная новизна и личный вклад автора, степень апробации, практическая значимость и сведения о внедрении, перечисляются выносимые на защиту положения.

В первой главе диссертации показаны этапы внедрения геосинтетических материалов в современное строительство. Приводятся конструктивные решения в дорожном, гражданском и промышленном строительстве и освоении городских территорий. Описываются применяемые методы расчета грунтовых массивов, армированных геосинтетикой.

Расчет фунтовых массивов, армированных геосинтетикой, по SLS (ServiceabilityLimitStates), то есть по деформациям, не вызывает затруднений. В общем случае используется упругая модель среды и метод конечных элементов для расчета напряженно- деформированного состояния грунтового массива. Различия заключаются в степени учета наличия армирующих слоев геосинтетики. В одном случае дело сводится к требованию повышенного значения модуля деформации грунта, например, требуют, чтобы Е=20 МПа. В другом случае среда рассматривается как композитная, и по упругим характеристикам геосинтетики и грунта определяют эквивалентную жесткость армированной среды. Можно представить и вариант, когда грунтовая среда представляется плоскими треугольными элементами, а армирующая геосинтетика представляется линейными элементами, так или иначе взаимодействующими с треугольными элементами.

Но расчет по несущей способности, по Ш,8 (иШта1еЫтк81а1е5), не может быть выполнен в рамках упругой модели, т.к. упругая модель не пригодна для описания процесса разрушения среды.

Однако неразвитость методов расчета по 11Ь8 приводит к необходимости замены этого расчета косвенным, основанным на вычислении деформаций с привлечением ряда экспериментальных данных. Теоретически это означает подмену расчета по ЦЬБ расчетом по 8Ь8.

Следовательно, развитие методов расчета нагруженных грунтовых массивов, армированных геосинтетикой, по иЬ8 по-прежнему является актуальной задачей.

Поставлена задача нахождения нижних и верхних оценок несущей способности армированных геосинтетикой грунтовых оснований, склонов и откосов, а также гибких подпорных стенок из геосинтетических материалов.

Во второй главе строятся модели для расчета грунтовых массивов, армированных геосинтетическими материалами.

При определении несущей способности композитного основания из уплотненной песчано - гравийной смеси, равномерно переложенной горизонтальными слоями геосинтетики (например, стабитекса) предлагается использовать модель сплошного жестко-идеальнопластического тела, анизотропного по сопротивлению сдвигу.

Условие прочности модельной среды, анизотропной по сопротивлению сдвигу выбирается в виде

о"з =-С(в)+л(&)сг} > (])

где 0 - угол между первым главным направлением и осью ОХ.

Рассматривается задача о предельной полосовой нагрузке на невесомое анизотропное по сопротивлению сдвигу фунтовое основание. Нахождение предельной нафузки сводится к решению нелинейного дифференциального уравнения (2)

= сщ - А'т(в) ± - С'(0)]2^4А(0)1(А(0) - \)8(в) - С(в)}2

5 2 А(0) (2)

с последующим использованием формулы (3)

Важнейшим вопросом использования модели сплошного тела для расчета грунтовых массивов, армированных геосинтетическими материалами, является определение функций А(в)и С(в) в зависимости от прочностных характеристик грунтовой среды, от прочностных свойств геосинтетических материалов, от расстояния между слоями геосинтетики, от степени уплотнения грунтовой среды.

Рассмотрим произвольный представительский (репрезентативный) объем композитного основания (рис.1), находящийся в предельном состоянии. Если этот объем расположен в зоне активного предельного напряженного состояния (рис.1,а) III, то наличие слоев геосинтетики, перпендикулярных первому главному направлению, не приведет к значительному упрочнению этого объема фунта. Если же этот объем расположен в зоне пассивного предельного напряженного состояния (рис. 1,6) I, то наличие слоев геосинтетики, параллельных первому главному направлению, значительно упрочит этот объема фунта в зависимости от величины прочности геосинтетики на разрыв.

а)

ä

жшшэззх

$н$в$$$зж

б)

СТз

шщ

Ü1

тттшт

Ol

Рис.1. К концепции прочности композитной среды

Пусть произвольный представительский объем основания, грани которого совпадают с главными площадками, находится в области центрированной волны II. Угол между первым главным направлением и слоями геосинтетики равен л/2 - 8 и изменяется от л/2 до 0 по области II.

Выдвинем расчетную гипотезу о линейной зависимости прочностных характеристик А и С от угла 0. При этом прочностные характеристики в

области III принимаем как для фунта без геосинтетики. А в области I к сцеплению грунта добавляем «эквивалентное» сцепление, рассчитанное как отношение разрывного усилия геосинтетики к соответствующей площадке.

Пусть, например, основание из песчано-гравийной смеси, не имеющей сцепления, через каждый метр переложено горизонтальными слоями стабитекса. Разрывное усилие метровой полосы стабитекса 80 кН. Следовательно, в этом случае в области I появится «эквивалентное» сцепление с = 80 кН/м2.

Учесть удельный вес грунтаможно с помощью приближенного приема, предложенного В.В.Соколовским для условия прочности Кулона-Мора и используемого в действующих строительных нормах. Данный прием легко обобщается на случай условия прочности (1). При этом необходимо иметь решение для несвязного основания, нагруженного «треугольной» нагрузкой.

Необходимость возвращения в диссертации к уже решенной В.В.Соколовским такой задаче определяется следующими причинами: а) отсутствием у автора данной диссертации ЭВМ-программы, использованной В.В. Соколовским; б) несовпадением численных результатов решения данной задачи в его различных работах; в) желанием обобщить решение и на откосы; г) стремлением использовать современные стандартные расчетные блоки.

В третьей главе диссертации развиваются методы расчета несущей способности фунтовых массивов, склонов и откосов, армированных геосинтетикой, по несущей способности.

Основным инструментом построения оценок несущей способности армированных склонов и откосов являлся предельный анализ пластических систем. Предельный анализ оперирует следующими множествами: а) множеством статически допустимых полей напряжений во всей пластической системе «фунтовый откос, армированный геосинтетикой», т.е. полей напряжений, удовлетворяющих уравнениям равновесия и условию неположительности функции текучести; б) множеством кинематически допустимых полей скоростей, не противоречащих ассоциированному (нормальному) закону текучести. Причем, каждому статически допустимому полю напряжений соответствует нижняя оценка предельной нафузки, а

каждое кинематически допустимое поле скоростей порождает верхнюю оценку предельной нагрузки.

Для невесомого откоса нижнюю оценку предельной распределенной нагрузки Р дает обобщенное решение Прандтля. Несущая способность невесомого откоса определяется по следующей формуле

Р = (, + _£_)__£_, (4)

где а - угол наклона откоса.

Учесть влияние собственного веса грунта на величину несущей способности можно с помощью приближенного метода Соколовского. Иллюстрирует метод Соколовского рис.2. При углах а, меньших угла внутреннего трения, к распределенной нагрузке Р будет добавляться некоторая треугольная эпюра давлений, а при больших углах а - отниматься. Заметим, что суммарная нагрузка также будет являться нижней оценкой неизвестной несущей способности откоса.

+

Ф*0 с*0 q#0 у=0

ср*0 с=0 q=0

q*0 у*0

Рис.2. Иллюстрация метода Соколовского

Пусть откос укреплен периодическими горизонтальными слоями геосинтетики (рис.3). Точно также, как во второй главе, сделан переход от обобщенного решения Прандтля для изотропного по сопротивлению сдвигу грунтового полупространства к решению для анизотропного полупространства, сделаем преобразование и для откоса. Вместо формулы (4) для несущей способности невесомого изотропного откоса получим алгоритм расчета несущей способности армированного склона (рис. 3).

В случае откоса в области 111 угол первого главного направления с осью ОХ 0= а. Прочностные характеристики постоянны по этой области и равны А(а) и С(а).

Пусть, например, основание из песчано-гравийной смеси, не имеющей сцепления, через каждый метр переложено горизонтальными слоями стабитекса. Разрывное усилие метровой полосы стабитекса 80 кН. Следовательно, в этом случае в области 1 появится «эквивалентное» сцепление с = 80 кН/м2. Допустим, что пригрузка я = 20 кН/м2. Будем считать, что внедрение геосинтетики не увеличивает угол внутреннего трения и, следовательно, параметр А, равный 3. Расчет несущей способности армированного 20° откоса представлен в следующем примере.

Пример (программа на ЭВМ) а0.= 3 а1:=3 СО:= С МПа С1 := 0.08 МПа

, , e-(Al-AO) ,„ А(э) := 2--5-+ АО

ллл к

q := 0.07 МПа g0:=-q 60 := С

__ тг20

180 а = 0.349 угол откоса

7 2-q (Cl-CQ- -(A1-A0)— + (-))■ (Al-AQ — 2 (C1-CQ-- 2 +4-A(e)-[(A(e)-i)-g-d e)]2

It it >J It^ Jt[

iT 2-y" (At - AO)—- 2" (CI - col - i 2 + 4 A(t) [(A(t)- l) y-C(t)]

IU li

This QuickSheet can be used to solve an ordinary differential equation of the form:

—y(t) = Rt.y) dt

y(tO) = yO

Enter the initial value problem specifics:

(CI - CO) - - (A1 - AO) — - Jm(t,y)

to := a yO := -q

Enter the desired solution parameters:

Endpoint of solution interval

2

N := 1 x 103 Number of solution values on [to, t1]

вК'еп

у'(0 = <1,у(0)

у(Ю) = уО у :=0<1е5о1уе(м1)

Рис.4. Зависимость а, от угла 0 во II области откоса

у| ^ | =-0.126

Предельное давление на анизотропное основание

р —а — |-у( - }а| - р = 0.437 МПа

Предельные давления по Прандтлю на изотропное основание

—а [(ао—1)

рО := АО е ^ +

АО - I АО - I

рО = 0.246 МПа

—-а | (А1-1)

, а, \/АТ ( С1 А С1 р! .=А1е . Р1 =0.698 МПа

Расчет показывает, что применение геосинтетики (горизонтальные слои стабитекса через каждый вертикальный метр), для грунтовых условий, описанных в примере, увеличивает несущую способность откоса в 1,858 раза или на 86%.

Учесть собственный вес армированного геосинтетикой откоса в нижней оценке несущей способности можно уже описанным методом Соколовского.

Известно, что не существует замкнутых аналитических выражений для предельных полей напряжений в весомом грунте, в которых имелось бы криволинейное семейство характеристик. Поэтому невозможно получить точную величину несущей способности откоса и затруднительно строить нижние оценки несущей способности.

Рассмотрим инженерный прием, позволяющий построить криволинейную границу нагруженного весомого склона, находящегося в предельном состоянии.

Вырежем из склона (рис. 3.1) на глубине х горизонтальный слой толщиной Ах. На этот слой действует не только нагрузка Р, но и вес вышележащих слоев грунта, т.е. ух Тогда из формулы (4) вытекает следующее равенство

Р + = (5)

Будем считать величину а в формуле (5) переменной. Найдем а из равенства, выразим через производную от функции, определяющей криволинейную границу склона. Интегрируя найденную производную, получим уравнение криволинейной границы склона, находящегося в предельном состоянии.

У00 = - ¡о Ч 1п (ух + Р)) + 3 сЬс. (6)

Распространим на случай армированных откосов эту методику построения предельно напряженного склона. Вместо интегрирования используем пошаговый численный метод. Вырежем из склона на глубине х горизонтальный слой толщиной Ах. Вместо формулы (5) используем её аналог:

В+у-х = С{Ж 2

Последовательно по значению а] примере, находим величину а

точек границы склона.

по программе, представленной в затем последовательно координаты

Рис. 5. Граница предельно нанряженного откоса, нагруженного равномерно распределенной нагрузкой Р= 0,1 МПа, армированного геосинтетикой как в примере

Если граница так же армированного склона из того же грунта находится левее и положе графика на рис.5, то склон находится в допредельном состоянии.

В этой же главе диссертации представлено решение задачи предельное давление на засыпку абсолютно гибкой подпорной стенки (рис.6). Новым в этом решении является более общее условие предельного состояния и приближенный способ учета собственного веса грунта.

При проектировании нагруженных откосов (склонов), армированных геотекстилем и укрепленных георешетками, вместо точного значения несущей способности, требующего знания полного решения, предлагается использовать нижние оценки несущей способности. При этом неизвестный запас прочности оценивается с помощью верхних оценок несущей способности.

«(в)'*<9)

Рис. 6. Гибкая подпорная стенка. Сравнение формы гибкой оболочки для невесомой засыпки и формы гибкой оболочки для весомой засыпки

Построим простейшие верхние оценки внешних сил, разрушающих откос. Рассмотрим (рис.7) армированный нагруженный откос. Согласно рассмотренной теореме Гвоздева для получения верхней оценки предельной внешней нагрузки ( интенсивности давления Р или объемного веса грунта у) в откосе следует построить кинематически допустимое поле скоростей, удовлетворяющее ассоциированному (нормальному) закону текучести.

Рис. 7. Простейшие верхние оценки армированного откоса

Пусть область пластического течения определяется треугольным блоком ABK. Вне этого блока скорости нулевые. Обозначим длины АВ= /, ВК=/;. Пусть высота откоса - h. Если скорости деформаций по области АВК постоянны, то скорости являются линейными функциями координат.

Верхняя оценка предельной внешней силы определяется из равенства

мощности внутренних и внешних сил и находится по формуле:

= (8)

Замечание 1. Формула (3.44) задает однопараметрическое множество верхних значений (параметр - /). Ясно, что лучшая оценка - наименьшая.

Замечание 2. При выборе параметра должно соблюдаться условие а>со. В противном случае фунт будет двигаться вверх и, конечно, получим отрицательные значения распределенной нагрузки. Условие а>со ограничивает применение оценки (8) для пологих откосов из грунта с большим углом внутреннего трения. В этих случаях следует пользоваться общим методом получения верхних оценок, рассмотренных в этой же главе.

В диссертации подробно изложен метод расчета верхних оценок несущей способности склонов и откосов при помощи «мягких» треугольных блоков, организованный в виде расчетного модуля ПК «ПРЕСС» (авторы: Дыба В.П., Скибин Г.М., Устинова O.E., Павлющик С.А., Савин А.П.) и указаны необходимые изменения для учета армирующей геосинтетики.

В конце главы обсуждаются принципы определения расчетной прочности армирующих геосинтетических материалов по первому предельному состоянию на примере одной из самых распространенных европейских методик - EBGEO.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям работы армированных песчаных откосов, нагруженных полосовыми штампами.

В первом параграфе данной главы исследуются вопросы геометрического и физического моделирования. Приводя систему уравнений теории предельного равновесия к безразмерному виду, получаем известный

критерий подобия, который и для модели и для натуры должен принимать одинаковое значение, т.е.

г1 Л = г,- Л

с< ■ (9)

Если в откосе используется натурный грунт, то есть с„=с„, то из (9) следует, что при уменьшении размеров модели по сравнению с размером натуры, например в 10 раз, ум должно увеличиться в 10 раз. Следовательно, необходимо центробежное моделирование, увеличивающее объемный вес грунта в модели, что затруднительно.

Для модельных экспериментов по исследованиям несущей способности откосов в качестве грунта следует выбирать песок.

Для откоса, укрепленного геосинтетикой, критерий подобия для предельной погонной силы геосинтетического материала найдем, опираясь на я - теорему. Из составленного безразмерного комплекса выводим, что

К ~ ¡¡5'

Отсюда вытекает, что при уменьшении высоты откоса в 10 раз, погонная разрывная нагрузка должна уменьшаться в 100 раз.

В настоящей диссертации в рамках предельного анализа пластических систем найдены нижние и верхние оценки несущей способности армированных геотекстилем откосов. Для проверки работоспособности развитых оценок предельной нагрузки были запланированы тестовые лотковые модельные испытания. Нагружался 30° песчаный откос, армированный горизонтальными слоями полиэтилена. Предполагалось сравнение поведения армированного и неармированного откоса под нагрузкой. Опыты по нагружению неармированных откосов различного наклона провел Павлющик С.А.

Песок в лоток укладывался послойно в воздушно сухом состоянии с уплотнением до значения 17,5 кН/м3 ручной трамбовкой и контролем плотности при помощи иглы-"плотномера".

р ! 6 7 Г-1Ц — 2

_±-

'".-•,-• - ь \ • 1 '

>1—

170 1у

Рис. 8. Армирование откоса. 1 - уплотненный неармированный слой песка; 2-вертикальпый деревянный шаблон; 3, 4, 5- горизонтальные деревянные шаблоны; 6 - полосы полиэтилена; 7 - ручная трамбовка, 8 - лоток.

Рис. 9. Потеря несущей способности армированного геосинтетикой откоса

Было проведено семь опытов по нагружению укрепленного геосинтетикой откоса в 30°, из них один методический. Результаты экспериментов представлены на рис.Ю.При подготовке опыта №3 и формировании песчаного основания, укрепленного полиэтиленом, плотность песка не доводилась до планируемой величины в 1,75 г/см , что сразу

21

сказалось на величине несущей способности. Это говорит о важности тщательного уплотнения грунта работающего совместно с геосинтетикой.

Графики «нагрузка-осадка»

а

Нагрузка, кПа

Рис. 10. Зависимости «нагрузка - осадка» в лотковых испытаниях для модели фундамента, стоящего на бровке 30" откоса: э-для неармироваппого откоса; яЗ-для армированного откоса пониженной плотности; .<¡2, в5, яб -для армированного откоса плотности 1,75 г/см3

Строго говоря, нижние оценки в третьей главе теоретически получены для сплошной невесомой среды, анизотропной по сопротивлению сдвигу. Такая сплошная среда моделировала композитную среду: плотный песок переложенный слоями геосинтетики. То или иное назначение функции сцепления анизотропной сплошной среды по величине предельной силы на кратковременный разрыв геосинтетики может лишить оценку несущей способности прилагательного «нижний». Следует сказать, что европейская

практика рекомендует при назначении проектной нагрузки на геосинтетику делить кратковременную разрывную силу для геосинтетики на целый ряд коэффициентов, каждый из которых больше единицы.

Плотный песок при деформации сдвига дилатирует, его сопротивление при определенной деформации достигает максимума и при дальнейшей деформации его сопротивление падает. При таких деформациях в геосинтетике напряжения в ней могут еще и не достигнуть предельных значений. Отсюда ясно, что эквивалентное сцепление для модельной анизотропной среды следует назначать по уменьшенным кратковременным разрывным нагрузкам на геосинтетику.

Стандартные опыты по растяжению полосок полиэтилена шириной 2,5 см показали разрывную нагрузку 0,9 кГ. Двойная полоска имеет разрывное усилие в 1,8 кГ. Следовательно, у композитной среды (слои уплотненного песка толщиной в 2 см, переложенные удвоенными слоями полиэтилена) в горизонтальном направлении появится сцепление. Величина его на каждый прямоугольник 2,5см х 2 см = 5 см2 равна 1,8 кГ. Отсюда, эквивалентное сцепление в горизонтальном направлении с = 0,36 кГ/см2 = 36 кПа. По описанным выше соображениям для вычисления оценки несущей способности по нашей методике принимаем «эквивалентное» удельное сцепление величиной в 70% от предельной кратковременной разрывной

нагрузки, т.е. с = 25,2 кПа.

Среднее арифметическое предельного давления по опытам №2, №4, №5, №6, №7 равно 412,8 кПа. Теоретическое расчетное значение предельного давления для условий проведения модельных лотковых испытаний равно 400 кПа.Расчеты показывают, что теоретическая предельная нагрузка дает хорошее приближение опытной предельной нагрузки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ научной и проектной литературы показал широкое использование геосинтетики в новых строительных конструкциях в дорожном, гражданском, промышленном строительстве и освоении городских территорий.

2. Показана недостаточность существующих методов расчета укрепленных геосинтетикой откосов по первому предельному состоянию. Поставлена задача о развитии таких методов расчета.

3. Предложено моделировать массивы из уплотненной песчано-гравийной смеси с прослойками геотекстиля эквивалентной сплошной грунтовой средой, анизотропной по сопротивлению сдвигу.

4. Решена задача о нахождении предельной треугольной нагрузкй на несвязное весомое основание.

5. Найдены нижние оценки несущей способности склонов и откосов, укрепленных геосинтетикой.

6. Решена задача о предельном давлении на засыпку абсолютно гибкой подпорной стенки.

7. Найдены простейшие верхние оценки несущей способности откосов, укрепленных геосинтетикой.

8. Рекомендовано верхние оценки несущей способности откосов, укрепленных геосинтетикой, вычислять с помощью ПК ПРЕСС.

9. Проведены модельные лотковые исследования по нагружению укрепленных геосинтетикой откосов. Геометрическое и физическое подобие соблюдалось.

10. Предложено экспериментально проверенное правило по пересчету прочностных характеристик геосинтетики в сцепление эквивалентной сплошной среды, анизотропной по сопротивлению сдвигу.

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

1. Дыба, П.В. Простейшие верхние оценки несущей способности укрепленных геотекстилем откосов /П.В. Дыба, Г.М. Скибин, В.П. Дыба // Вестн. ВолгГАСУ. Сер.: Строительство и архитектура. -Волгоград: Изд-во ВолгГАСУ, 2012. - Вып. 29 (48). - С 54-60 (6/4 е.).

2. Дыба, П.В. Экспериментальные исследования штампа на армированном грунтовом откосе / П.В. Дыба, С.А.Павлющик, Н.М. Бондаренко // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2013-№4. - С.59-62. (9/5 е.).

3. Дыба, П.В., Оценка и экспериментальная проверка несущей способности : укрепленных геотекстилем откосов / П.В. Дыба, В.П.Дыба, JI.A. Бартоломей // Интернет-вестник Волгогр. гос. архитект.-строит. ун-та. Сер.: Политематическая. - 2013. - Вып: 2(27). - www. vestnik.vgasu.ru.(l 1/8 с).

Публикации в других изданиях:

4. Дыба, П.В. Несущая способность укрепленных геотекстилем откосов / П.В. Дыба// Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении: материалы Всерос. научн.-техн. конф., г. Новочеркасск 7-8 июня 2012 г. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2012. -С 365- 370. (6 е.).

5. Дыба, П.В., Предельная «треугольная» нагрузка на несвязное основание /П.В. Дыба,В .П. Дыба // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений: материалы XII Междунар. науч.-практ. конф. г. Новочеркасск, 30 окт. 2012 г. -Новочеркасск: ЮРГТУ, 2012. - С. 15-19. (5/3 е.).

6. Дыба, П.В. Предельное взаимодействие нагруженного грунтового массива с гибкой оболочкой / П.В. Дыба,В.П. Дыба// Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений:материалы XII Междунар.науч.-практ. конф. г. Новочеркасск, 30 окт. 2012 г. - Новочеркасск: ЮРГТУ, 2012 - С. 6-12. (7/4 е.).

7. Дыба П.В. Проблема расчета по первому предельному состоянию грунтовых массивов, укрепленных геосинтетическими материалами / П.В. Дыба // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений:материалы XII Междунар.науч.-практ. конф. г.Новочеркасск, 30 окт. 2012 г.Новочеркасск: ЮРГТУ, 2012,- С. 3-6. (4/2 е.).

8. Дыба, П.В., Форма склона в предельном напряженном состоянии /П.В.' Дыба,С.А. Павлющик // Информационные технологии в обследовании эксплуатируемых зданий и сооружений:материалы XII Междунар.науч.-практ. конф. г. Новочеркасск, 30 окт. 2012 г.Новочеркасск: ЮРГТУ, 2012,- С. 12-15. (4/2 е.).

9. Дыба, П.В. Предельные местныенагрузки на подземное сооружение в виде цилиндрической полости, подкрепленной СМГК /П.В. Дыба, Б А Нечипоренко // Труды первого Всерос. дорожного конгресса, 28 - 30 января 2009 г., г. Москва. - М. : МАДИ, 2009. - С. 140-147. (8/4с.).

Дыба Петр Владимирович ПОВЫШЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ НАГРУЖЕННЫХ ГРУНТОВЫХ МАССИВОВ АРМИРОВАНИЕМ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ

АВТОРЕФЕРАТ Подписано в печать: 7 Л 1.2013. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,5. Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 150 экз. Заказ №013-312. Отпечатано в Издательстве «HOK»; 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 155 а, тел. 8 (8635) 29-85-51

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»

На правах рукописи

04201 452094

Дыба Петр Владимирович

Повышение несущей способности нагруженных грунтовых массивов армированием геосинтетическими

материалами

05.23.02 - «Основания и фундаменты, подземные сооружения»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Павлющик Сергей Александрович

Новочеркасск - 2013

Аннотация

В диссертационной работе развиваются методы расчета нагруженных грунтовых массивов, откосов и склонов, армированных геосинтетическими материалами, по первому предельному состоянию (Ultimate Limit State -ULS).

В современном строительстве широко применяются геотекстиль и георешетки, композитные (полимерные, в том числе нано - ) материалы. С их помощью укрепляются основания и фундаменты зданий и сооружений, подпорные стенки, откосы земляных насыпей и плотин, устраиваются дорожные одежды, конструкции мостов и путепроводов.

Однако, применяемые методы расчета строительных систем «грунтовый массив - гибкие геоматериалы», особенно по несущей способности, представляются совершенно неубедительными. Проектировщик не может указать, на сколько процентов увеличилась несущая способность конструкции в результате применения дорогостоящих синтетических материалов.

В представленной диссертации с помощью предельного анализа пластических систем разработаны методы оценки несущей способности грунтовых массивов, укрепленных геотекстилем.

Рассматриваются задачи о предельном состоянии грунтовой среды, ограниченной гибкими нитями (полотнами геосинтетики).

Развивается известный метод нахождения верхних оценок несущей способности откосов и склонов на случай откосов, укрепленных геоматериалами.

Для расчетов несущей способности грунтового основания, укрепленного периодическими горизонтальными прослойками геотекстиля, применяется модель эквивалентной сплошной среды, анизотропной по сопротивлению сдвигу.

Проводятся тестовые модельные лотковые эксперименты по проверке полученных теоретических результатов.

Оглавление

Аннотация....................................................................................2

Оглавление....................................................................................3

Введение.......................................................................................5

1. Обзор и анализ конструктивно-технологических решений пластических систем из грунтонаполняемых оболочек и методов их расчета....................................................................................................8

1.1. Этапы внедрения геосинтетических материалов в современное строительство.......................................8

1.2. Конструктивные решения в дорожном, гражданском и промышленном строительстве и освоении городских территорий...................................................................14

1.3. Применяемые методы расчета систем «грунтовый массив - гибкая оболочка»................................. 24

1.4. Постановка задачи диссертационного исследования................................................... 27

2. Модели для расчета несущей способности грунтовых массивов, укрепленных прослойками геотекстиля...............................................28

2.1 .Условие прочности грунта, анизотропного по сопротивлению сдвига............................................28

2.2. Предельная полосовая нагрузка с пригрузкой на грунтовое основание, анизотропное по сопротивлению сдвигу..................................................................32

2.3. Моделирование основания из уплотненной песчано-гравийной смеси с прослойками геотекстиля эквивалентной сплошной грунтовой средой, анизотропной по сопротивлению сдвигу............................................35

2.4. Предельная треугольная нагрузка на несвязное весомое основание.................................................39

3. Оценки несущей способности откосов, укрепленных геотекстилем и георешетками...................................................................................44

3.1. Оценки несущей способности склонов и откосов методами предельного анализа...................................44

3.2. Нижние оценки несущей способности склонов и откосов...............................................................47

3.3. Предельное давление на засыпку абсолютно гибкой подпорной стенки..................................................57

3.4. Верхние оценки несущей способности склонов и откосов...............................................................63

3.5. Простейшие верхние оценки несущей способности откосов, укрепленных геосинтетикой...........................71

3.6. Вычисление верхних оценок несущей способности армированных откосов с помощью ПК ПРЕСС.............77

3.7. О расчетной прочности армирующих геосинтетических материалах...........................................................79

4.Экспериментальные исследования укрепленных откосов.................84

4.1. Подобие поведения армированных откосов в модельных испытаниях и поведения натурного откоса при предельных нагрузках...........................................84

4.2. Анализ результатов опытов Павлющика С.А. по нагружению неукрепленных откосов........................88

4.3. Экспериментальные исследования по нагружению укрепленных откосов.........................................................99

4.4. Сравнение теоретических и экспериментальных значений несущей способности укрепленных откосов... 112

Заключение..........................................................................................115

Библиографический список использованной литературы............118

Приложения.......................................................................................126

Введение

Актуальность темы диссертации. Широкое распространение в современном строительстве получили конструкции из геосинтетических материалов, в том числе композитных (полимерных и нано-) материалов. Грунтонаполняемые оболочки, замкнутые и незамкнутые, применяются для укрепления оснований и фундаментов зданий и сооружений, особенно в случае техногенных грунтов, в качестве разгружающих элементов при строительстве подпорных стен, в дорожном строительстве для разделения слоев, дренирования и армирования.

Однако методы расчета сооружений с грунтонаполняемыми оболочками по предельным состояниям требуют своего развития. При расчете конструкции, состоящей из уплотненной песчано-гравийной смеси, заключенной в «мешки» из геотекстиля, по второму предельному состоянию применяется классический метод конечных элементов. При этом среда считается упругой с модулем упругости не меньшим 20 МПа. Рассчитанные осадки получаются, как правило, больше наблюдаемых осадок. К недостаткам метода расчета можно отнести и произвол в назначении предельных осадок. Расчет описанной конструкции по несущей способности, по первому предельному состоянию, поиск предельной нагрузки на конструкцию является актуальной задачей, не имеющей в настоящее время удовлетворительного решения.

Без знания предельной нагрузки на сооружение до и после укрепления сооружения геосинтетикой нельзя оценить эффективность и экономическую целесообразность применения геоматериалов.

Решение проблемы включено в направление развития технологии транспортных систем РФ до 2015 года и Федеральную целевую программу «Модернизация транспортной системы России».

Цель диссертационной работы:

Разработка методов расчета несущей способности нагруженных грунтовых массивов армированных геосинтетическими материалами.

Научная новизна работы:

1. Решена новая задача о предельной полосовой нагрузке с пригрузкой на грунтовое основание, послойно армированное геоматериалами.

2. Получены верхние и нижние оценки несущей способности склонов и откосов, укрепленных георешетками.

3. Впервые проведены лотковые испытания откосов, укрепленных геосинтетическими материалами, при возрастании нагрузки.

Достоверность новых результатов обеспечивается использованием общепризнанных методов и законов механики сплошной среды, предельного анализа пластических систем, применением для численных расчетов стандартных программ, использованием достоверных экспериментальных данных.

Практическая ценность работы

Появляется возможность уже не только качественно, но и количественно оценить увеличение несущей способности грунтового массива в результате укрепления его геосинтетическими материалами. Следовательно, возможна и экономически строгая оценка проектных решений, в которых применяются геосинтетические материалы.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались на бизнес - форуме «Дорожно - Мостовое хозяйство Юга России» (04.12.2008, Ростов-на-Дону), на Первом всероссийском дорожном конгрессе (г.Москва, МАДИ 28-30 января 2009г), на всероссийской научно-технической конференции «Механика грунтов в геотехнике и фундаментостроении» (г. Новочеркасск 7-8 июня 2012г.), на научных семинарах Ростовского регионального отделения Российского общества по механике грунтов,

геотехнике и фундаментостроению, на ежегодных научно-технических конференциях строительного факультета ЮРГТУ (НПИ).

Внедрение результатов

Результаты исследований переданы для апробации на практике в ООО «Геоматериалы» г. Новочеркасска.

Материалы диссертационных исследований используются в специальном курсе «Моделирование оснований и информационные технологии», в курсе «Механика грунтов», которые читаются студентам специальности ПГС.

На защиту выносятся:

1. Решение задачи о предельной полосовой нагрузке с пригрузкой на грунтовое основание, послойно армированное геоматериалами.

2. Методы нахождения верхних и нижних оценок несущей способности склонов и откосов, укрепленных георешетками.

3. Результаты лотковых испытаний откосов, укрепленных геосинтетикой, при возрастании нагрузки до предельной.

4. Методики расчета эффективности применения геоматериалов для увеличения несущей способности грунтовых массивов.

Публикации

Основное содержание диссертационной работы изложено в 10 опубликованных работах.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 75 наименований, и приложений. Полный объем диссертации- 132 страницы, включая 40 рисунков и 10 таблиц.

1. Обзор и анализ конструктивно-технологических решений пластических систем из грунтонаполняемых оболочек и методов их расчета

1.1. Этапы внедрения геосинтетических материалов в современное строительство В современном строительстве и промышленности геосинтетические материалы получили широкое распространение. Впервые они были использованы в Соединенных Штатах Америки в 1960-х годах. На территории бывшего СССР геосинтетические материалы появились на 10 лет позже. Специалисты вели интенсивные научные исследования в отраслевых научно-исследовательских институтах и на предприятиях, благодаря чему производство геосинтетиков стало развиваться крайне активно.

Важно отметить, что зарубежная практика использования геосинтетических материалов значительно опередила российскую. Были созданы специальные нормы, которые регламентируют условия применения геосинтетиков, а также требования к ним. За годы исследований специалисты смогли установить факторы, которые определяют, будет ли геосинтетический материал эффективно выполнять возложенные на него функции. Среди них можно отметить гидравлические, механические, а также эксплуатационные показатели грунтовой среды, в которую будет помещен геосинтетический материал. Долгие годы специалисты изучали такие показатели как деформированность, номинальная прочность, ползучесть, фильтрационная способность, а также функциональные показатели.

История развития отечественного производства геосинтетиков насчитывает несколько десятилетий и является довольно насыщенной. В 7080-х годах прошлого века Министерством транспортного строительства СССР была разработана и утверждена программа совершенствования геотекстильных материалов, а также расширения рациональной области их использования при проектировании и строительстве железных и

автомобильных дорог, портов, аэропортов и причалов. Это дало толчок к созданию и быстрому расширению базы по изготовлению геосинтетических материалов и значительному повышению качества транспортного и дорожного строительства.

Первые опытные работы с геосинтетическими материалами проводили специалисты Союздорнии на автомобильной трассе, соединяющей Москву и Ригу. Исследования проводились на опытном участке при создании так называемых «мокрых» выемок. Это дало отправную точку для использования геосинтетических материалов с целью стабилизации переувлажненных выемок. Специалисты вели исследования в двух основных направлениях. Они изучали водно-тепловой и геотехнический режимы.

На основании дальнейших наблюдений были созданы первые требования к дорожным конструкциям. В них геосинтетические материалы или геотекстиль выступали в качестве армирующих элементов, дополнительного фильтра, а также разделительной прослойки. На первом этапе работ требования относились в большей части к нетканым иглопробивным материалам отечественного и зарубежного производства. Они положили основу использования геосинтетических материалов в дорожной отрасли.

Специалисты долгие годы вели целенаправленные научные исследования, в ходе которых было сформировано специальное направление в дорожной геотехнике. Оно стало определяющим для дальнейших путей использования геосинтетических материалов.

На основании практических исследований специалисты смогли установить главный принцип рационального применения геосинтетических материалов. Он заключался в следующем. Расчет дорожной конструкции стали вести с определением «узких мест» работы ее составляющих. Далее совершали переход к конкретным требованиям для геосинтетических материалов, которые должны изменять условия дренирования, воспринимать дефицит усилий, обеспечивать требуемую долговечность и надежность дорожных сооружений.

В 1970-е годы также были разработаны методики, позволяющие выполнить комплекс необходимых исследований. При помощи данных методик специалисты могли также определить физико-механические показатели геотекстильных материалов и показатели соответствующих систем: грунта и геосинтетического элемента. Особое внимание исследователи уделяли фильтрационной и водоотводящей способности геосинтетических материалов, предельной (номинальной) прочности и соответствующей ей деформативности.

Первый нетканый материал Дорнит появился в Советском Союзе в 1977 году. Он был разработан при участии группы отечественных институтов. В те же годы было запущено его массовое производство. Первые опытные партии были получены из расплава полимера. Что касается результатов исследований, то они были отражены в первых конструктивно-технологических решениях и документах, разработанных для нефтепромысловых дорог Западной Сибири. Это позволило значительно увеличить качество и темпы строительства нефтепромысловых дорог.

В 1970-е годы специалисты имели возможность применения геосинтетических материалов лишь одного типа - нетканого. В дальнейшем на его основе были разработаны конструкции и необходимые технологии для климатических условий Западной Сибири, в том числе для районов распространения вечномерзлых грунтов. По своей структуре и учету механизма взаимодействия грунта и геосинтетического материала подобные конструкции положили начало созданию многих современных решений. Они базируются на менее деформативных и более прочных современных материалах. Под ними специалисты понимают конструкции «грунт в обойме», в том числе с использованием мерзлого комковатого грунта, всевозможных разделительных элементов. В качестве типовых решений были представлены конструкции сборного железобетонного покрытия с антикольматирующим и разделительным элементом из нетканого геосинтетического материала. В те годы появились первые временные

дороги с прослойкой из технологичного геосинтетического материала в основании.

Дальнейшее развитие геосинтетических материалов стало возможным благодаря проведению полевых и экспериментальных исследований. Полученные результаты были обобщены и внесены в соответствующие разделы нормативных документов СНиП и ВСН.

Спустя 20 лет, в 1990-е отрасль применения геосинтетических материалов получила новый импульс развития. В этот период специалисты возобновили исследования на более современном уровне. Была проведена первая Международная конференция Объединенной Европы по дорожной геосинтетике. Она прошла в г. Маастрихте. Здесь исследователи выступали с освещением практического опыта применения геосинтетических материалов при проектировании и реконструкции автомобильных трасс, в том числе и МКАД.

С 1998 года международные и российские конференции, посвященные данному вопросу, стали регулярными. Они позволили объединить отечественных производителей и потребителей, и�