автореферат диссертации по транспорту, 05.22.06, диссертация на тему:Совершенствование методики расчета армогрунтовых стен для усиления земляного полотна

На правах рукописи Г

с/иг/-

Костоусов Андрей Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА АРМОГРУНТОВЫХ СТЕН ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

05.22.06 — Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных дорог

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 5 ПА? 2015

005561161

Москва-2015

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС (МИИТ)) на кафедре «Путь и путевое хозяйство».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Стоянович Геннадий Михайлович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Дальневосточный государственный университет путей сообщения» (ДВГУПС), кафедра «Железнодорожный путь и проектирование железных дорог», профессор.

Орлов Григорий Геннадьевич, кандидат технических наук, общество с ограниченной ответственностью «ЭкоСтройСервис», главный инженер проекта.

Ведущая организация: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I» (ПГУПС).

Защита состоится «23» апреля 2015 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.11 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МГУПС (МИИТ) по адресу: 127994, г. Москва, ул. Образцова д. 9, стр. 9, ауд. 1235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте МГУПС (МИИТ), www.miit.ru.

Автореферат разослан «11» марта 2015 г.

Виноградов Валентин Васильевич

Ученый секретарь диссертационного совета

Савин Андрей Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТ1ЖАРАБОТЫ

Актуальность темы исследования определяется необходимостью усовершенствования существующей методики расчета армогрунтовых стен для усиления земляного полотна. Стратегия ОАО «РЖД» до 2030 года предусматривает строительство трех высокоскоростных магистралей ВСМ (Москва — Санкт-Петербург, Москва — Казань, Москва — Центр — Юг) и реализацию 14 проектов организации скоростного движения с соответствующей специализацией железнодорожных линий на грузовые и пассажирские. Это потребует строительства новых и реконструкцию уже существующих путей в таких крупных городах, как Москва, Санкт-Петербург, Казань и других. Учитывая высокую плотность застройки в указанных регионах строительства, потребуется обеспечить минимизацию территории, отводимой на строительство и реконструкцию земляного полотна, а это, в свою очередь, потребует инновационных решений.

Одним из наиболее перспективных решений является использование для усиления земляного полотна армогрунтовых стен. Их применение дает возможность сократить площадь полосы отвода и необходимость в переносе расположенных рядом с земляным полотном объектов коммуникаций и инфраструктуры. На сегодняшний день строительство различных типов армогрунтовых стен, в основном, армированных геосиктетическими материалами, ставит перед исследователями новые задачи. Одним из актуальных является вопрос изучения взаимодействия на поверхности грунт— геосинтетический материал.

В процессе строительства и эксплуатации армогрунтовых стен возможны их деформации, что обусловлено свойствами материалов, конструктивными особенностями, величиной нагрузки. Значительные величины деформаций, особенно горизонтальных, могут привести к потере устойчивости сооружения или необходимости проведения капитальных работ. Поэтому их необходимо нормировать. Для прогнозирования величин деформаций армогрунтовых стен необходимо проведение расчетов по второй группе предельных состояний. Внесение уточнений и предложений в существующую методику расчета армогрунтовых стен для усиления земляного полотна повысит их надежность.

Степень научной разработанности темы. Современное представление об армированном грунте было впервые сформулировано инженером Видалем в 60-е годы XX века. Его идея состояла в создании композитного

образуемого армирующими полосами, которые укладываются горизонтально в грунт, обладающий определенным трением. Взаимодействие между грунтом и армирующим элементом обеспечивается исключительно за счет трения, вызванного гравитационными силами.

Проблемами конструкций из армированного грунта, методам их проектирования, расчета, физического и математического моделирования, технологии сооружения и строительства посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Яковлевой Т. Г., Виноградова В. В., Ашпиза Е. С., Цернанта А. А., Семендяева Л. И., Середина А. И., Стояновича Г. М., Фроловского Ю. К., Орлова Г. Г., Соколова А. Д., Зайцева А. А., Тяпочкина А. В., Видаля А., Джоунса К. Д., Schlosser F., Leshchinsky D., Bathurst R. J., B. S. Bueno, Zornberg J. G., Раковского 3., Буссерта Ф., Дельмаса Ф. и др.

Определению величины взаимодействия между грунтом и армирующим элементом для оценки внешней и внутренней устойчивости стены посвящены работы следующих ученых: Ingold Т. S., Bathurst, R.J., Середина А. И., Moraci N., Sidnei Н. С. Teixeira, Jorge G. Zornberg, Farrag К., Palmeira E. M., Lopes M. J. и Lopes M. L., Bolt A. F., Ladeira M. и др.

Наиболее полное и систематическое описание метода конечных элементов, используемого при прогнозировании величин деформаций армогрунтовых стен, можно найти в трудах: Zienkiewicz О. С. и Teylor R. L., Bathe К. J. и Е. L. Wilson, Сегерлинда JL, Бугрова А. К., Зарецкого Ю. К., Фадеева А. Б.и др.

Цель исследования заключается в усовершенствовании существующей методики расчета армогрунтовых стен для усиления земляного полотна железных дорог.

Задачи исследования, отвечающие данной цели:

• проанализировать отечественный и зарубежный опыт в области расчетов, проектирования, строительства и эксплуатации армогрунтовых стен;

• разработать методику испытаний и лабораторный стенд на выдергивание геосинтетического материала из грунта;

• исследовать взаимодействие различных типов геосинтетических материалов и несвязных грунтов на основе испытаний на выдергивание;

• провести численное моделирование методом конечных элементов (МКЭ);

• выполнить физическое моделирование на геотехнической центробежной установке МГУПС (МИИТ);

• выполнить анализ влияния основных конструктивных параметров армогрунтовых стен для усиления земляного полотна на их устойчивость и деформативность;

• определить величину допустимой горизонтальной деформации лицевой части армогрунтовой стены.

Объект исследования - армогрунтовые стены для усиления земляного полотна железных дорог.

В качестве предмета исследования рассмотрена методика расчета армогрунтовых стен для усиления земляного полотна железных дорог.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующих основных результатах:

• разработана усовершенствованная методика расчета армогрунтовых стен для усиления земляного полотна железных дорог;

• получены эмпирические зависимости коэффициента взаимодействия при выдергивании/„ от угла внутреннего трения для несвязных грунтов и различных типов геосинтетических материалов;

• проведены расчеты земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной, по двум группам предельных состояний, на основе которых рекомендована величина допустимой горизонтальной деформации лицевой части;

• на основании проведенных исследований даны рекомендации по выбору величины осевой жесткости геосинтетического материала в зависимости от прочности грунта;

• получены многофакторные регрессионные модели, описывающие зависимость коэффициента общей устойчивости и максимальную величину горизонтальных перемещений лицевой части армогрунтовой стены от ее основных конструктивных параметров.

Теоретическая и практическая значимость работы заключается в усовершенствовании существующей методики расчета армогрунтовых стен для усиления земляного полотна на железных дорогах.

С целью повышения прочности и устойчивости и понижения деформативности армогрунтовых стен для усиления земляного полотна, показана необходимость их расчета по двум группам предельных состояний. При расчетах по второй группе предельных состояний рекомендована величина допустимой горизонтальной деформации лицевой части армогрунтовой стены.

Полученные эмпирические зависимости коэффициента взаимодействия при выдергивании /в от угла внутреннего трения несвязного грунта для различных типов геосинтетических материалов могут использоваться в расчетах устойчивости и оценке напряженно-деформированного состояния земляного полотна, усиленного армогрунтовыми стенами.

На основании проведенного параметрического исследования даны рекомендации по выбору величины осевой жесткости геосинтетического материала в зависимости от прочности фунта заполнителя.

Методология и методы исследования, применяемые в диссертационной работе, включают:

® анализ и систематизацию данных мирового опыта в области проектирования, строительства и эксплуатации армогрунтовых стен;

• экспериментальное лабораторное исследование взаимодействия между геосинтетическим материалом и фунтом при выдергивании;

• численное моделирование земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной, с использованием метода конечных элементов;

« физическое моделирование земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной, на геотехнической центробежной установке МГУПС (МИИТ);

» рефессионный анализ и построение многофакторных математических моделей.

Положения, выносимые на защиту:

усовершенствованная методика расчета армофунтовых стен для усиления земляного полотна железных дорог, включающая:

1) эмпирические зависимости коэффициента взаимодействия при выдергивании /в от угла внутреннего трения для несвязных грунтов и различных типов геосинтетических материалов;

2) конечно-элементную модель на основе условия прочности Мора-Кулона;

3) рекомендации к величине допустимой горизонтальной деформации лицевой части армофунтовой стены;

4) рекомендации по выбору величины осевой жесткости геосинтетического материала в зависимости от прочности грунта;

5) многофакторные рефессионные модели, описывающие зависимость коэффициента общей устойчивости и максимальную величину

горизонтальных перемещений лицевой части армогрунтовой стены от ее основных конструктивных параметров.

Вклад автора состоит в разработке усовершенствованной методики расчета армогрунтовых стен для усиления земляного полотна с учетом исследования взаимодействия геосинтетических материалов с грунтами, включающего разработку конструкции испытательного лабораторного стенда, методики и проведении испытаний на выдергивание геосинтетических материалов из различных типов грунтов, получение зависимостей коэффициента взаимодействия от коэффициента внутреннего трения несвязного грунта, выполнения физического (на центробежной установке МГУПС (МИИТ)) и численного моделирования (методом конечных элементов) земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной, проведении расчетов устойчивости исследуемой конструкции, обосновании требований к величине допустимой горизонтальной деформации лицевой части армогрунтовой стены, в построении регрессионных многофакторных моделей.

Степень достоверности результатов работы подтверждается хорошим качественным и количественным совпадением результатов, полученных методом физического моделирования земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной, на центробежной установке МГУПС (МИИТ), с численным моделированием, выполненным методом конечных элементов. Также адекватность полученных результатов подтверждается данными аналогичных исследований, опубликованных в научно-технической литературе.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры «Путь и путевое хозяйство» Института пути, строительства и сооружений МГУПС (МИИТ) (2010 - 2014 гг.); на научно - практической конференции Неделя науки - 2010 «Наука МИИТа - транспорту» (Москва, МГУПС (МИИТ), 2010 г.); на научно -технической конференции с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» (Москва, МИИТ в 2010, 2011, 2012 гг.); на VII ежегодной научно -практической конференции молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве - 2011» (Москва, ОАО «ПНИИИС», 2011 г.); на 5-ой Международной конференции по применению геосинтетических материалов в строительстве ЕигоСео 5 (Валенсия, Испания, 16-19 сентября 2012 г.); на 8-ой Международной конференции по физическому моделированию в геотехнике ГСРМв 2014 (Перт, Австралия, 14-17 января 2014).

Публикации. Основные положения диссертационной работы опубликованы в десяти печатных работах, в том числе, в трех - изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК России.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников, приложений. Диссертация представлена на 158 страницах, включает в себя 26 таблиц, 66 рисунков. В библиографии насчитывается 144 наименования.

Основное содержание работы.

Во введении обоснована актуальность диссертационного исследования, степень разработанности решаемых в диссертации задач, сформулированы цель и задачи исследования, определена научная новизна, методология и методы исследования, личный вклад автора, изложены положения диссертации, выносимые на защиту, достоверность и апробация результатов работы.

В первой главе проведён анализ сферы применения армогрунтовых стен при усилении земляного полотна, методические и методологические основы их расчета и проектирования, основные особенности деформирования в период строительства и эксплуатации.

Наиболее распространённой сферой применения армогрунтовых стен на железнодорожном транспорте стало усиление эксплуатируемых высоких насыпей, особенно в зоне водопропускных труб. С развитием транспортной инфраструктуры крупных городов армогрунтовые стены стали все более востребованы для усиления строящихся насыпей в условиях плотной застройки.

Конструкция армогрунтовых стен включает: облицовку, армирующий элемент и грунт-заполнитель. Облицовка определяет, по большей части, внешний вид стены, имеются следующие типы облицовки: габионы, блоки, обертывание геотекстилем, металлический каркас, заполненный растительным грунтом (Зеленый Террамеш), сплошная железобетонная панель или железобетонные плиты. Армирующие элементы подразделяются на металлические и геосинтетические. На железнодорожном транспорте наибольшее распространение получили геосинтетические материалы, а в качестве заполнителя — несвязные грунты пески и песчано-гравийные смеси.

При расчетах общей, внешней и внутренней устойчивости армогрунтовых стен, кроме характеристик, учитывающих прочность грунта и армирующего материала, необходимо знать и прочность на поверхности грунт-армирующий элемент. Для этой цели проводят следующие испытания: на сдвиг по

поверхности грунт-армирующий материал (рисунок 1а) и на выдергивание армирующего материала из грунта (рисунок 16). При сдвиге взаимодействие между материалами происходит в одной плоскости, а при выдергивании - в двух, за счет движения геосинтетического материала относительно грунта. При этом полученные в ходе испытаний коэффициенты взаимодействия на сдвиг/, или на выдергивания /в могут заменять один другой в отсутствии конкретных данных, т.е. принимается условие/с=/в.

В существующей отечественной методике расчета армогрунтовых стен, изложенной в технических условиях по применению габионов для усиления земляного полотна, приводится только один коэффициент выдёргивания для металлической сетки и грунта. Поэтому необходимо проведение дополнительных исследований на выдергивание для различных типов геосинтетических материалов и грунтов, а)

Сдвигающая,

Рисунок 1 - Схемы испытаний: а) на сдвиг грунта по армирующему элементу; б) на выдергивание армирующего элемента из грунта Существующая методика, изложенная в технических условиях, основывается только на расчетах по первой группе предельных состояний. Однако опыт строительства и эксплуатации армогрунтовых стен показывает, что при проектировании необходимо проведение расчетов и по второй группе предельных состояний, с целью ограничения величин деформаций. Мониторинг армогрунтовых стен показал, что наиболее интенсивные деформации происходят, в основном, в период строительства и в начальный период эксплуатации, а затем отмечается тенденция к их затуханию. Наиболее критичными являются горизонтальные деформации. Они могут сопровождаться образованием на верху стены трещин отрыва и неравномерными по высоте горизонтальными перемещениями лицевой части армогрунтовой стены. Развитие значительных по величине горизонтальных деформаций может привести к потере устойчивости армогрунтовой стены и конструкции в целом. К основным причинам или их комбинациям, приводящим к потере

устойчивости или значительным деформациям армогрунтовых стен, требующим капитального ремонта, следует отнести:

1) недостаточную прочность грунта-заполнителя;

2) недостаточную прочность и жесткость армирующего материала;

3) недостаточную длину армирования и ширину стены;

4) отсутствие или неэффективность работы дренажной системы. Поэтому в существующей методике необходимо уточнить величины

коэффициентов взаимодействия для различных типов геосинтетических материалов и грунтов-заполнителей, а также дать рекомендации к проведению расчетов по второй группе предельных состояний и величине горизонтальных деформаций.

Во второй главе для уточнения величины коэффициента взаимодействия при выдергивании /в выполнено экспериментальное лабораторное исследование.

Для проведения лабораторного исследования была разработана методика испытаний и испытательный лабораторный стенд (рисунок 2а), к которому относятся испытательный короб (0,59x0,28x0,33 м) с устройством на выдергивание, гидравлический пресс, компьютер с блоком съёма данных «Мера» и тензометрический динамометр (рисунок 26).

а) б)

Рисунок 2 - Испытательный лабораторный стенд для проведения испытаний на

выдергивание: а) общий вид испытательного лабораторного стенда; б) гидравлический пресс с расположенным на нем испытательным коробом с выдергивающим устройством При проведении экспериментального исследования в качестве несвязного грунта-заполнителя использовались: песок средней крупности, песок гравелистый и песчано-гравийная смесь. В зависимости от формы и

геометрических характеристик, были приняты следующие типы геосинтетических материалов:

1) материал №1 - экструдированная одноосная георешетка из полиэтилена высокой плотности НОРЕ с эллиптической формой ячеек;

2) материал №2 - георешетка с ячейками квадратной формы;

3) материал №3 — тканый геотекстиль со сплошной поверхностью. Согласно программе испытаний, каждый тип геосинтетического

материала выдергивался по очереди из трех типов несвязных грунтов (при влажности грунта М/ = 4-7% и коэффициенте уплотнения Купл = 0,95-0,98) при различном вертикальном давлении на образец до 100 кПа. При проведении испытаний несвязный грунт в короб укладывался послойно (рисунок 3), контроль влажности и плотности проводился методом режущего кольца. В середину, между слоями из грунта, укладывался геосинтетический материал длиной не менее 750 мм и шириной 205 мм.

а) б)

Рисунок 3 - Укладка образца грунт—геосинтетический материал в испытательный короб: а) укладка геосинтетического материала поверх слоя грунта; б) устройство верхнего слоя из грунта

По полученным в эксперименте данным было рассчитано выдергивающее напряжение!,,, действующее на поверхности грунт-геосинтетический материал:

где FB - максимальное значение выдергивающей силы, кН; 2 - коэффициент, учитывающий взаимодействие двух сторон геосинтетического материала с грунтом при выдергивании;

So6 — площадь образца, включенного в испытательную коробку для выдергивания, м.

Затем построены зависимости выдергивающих тр от нормальных напряжений ар, которые аппроксимированы по методу наименьших квадратов. Согласно условию прочности Мора-Кулона, был определен угол трения на поверхности грунт-геосинтетический материал срзд при выдергивании. Коэффициент взаимодействия при выдергивании /в определялся по следующей формуле:

г _ Ьпирцд

Гв ~ К >

где (р5 — значение угла внутреннего трения грунта, град.

По полученным значениям построены экспериментальные зависимости коэффициента взаимодействия при выдергивании от коэффициента внутреннего трения грунта для трех типов геосинтетических материалов (рисунок 4). Применение в конструкции армогрунтовых стен георешеток как с эллиптической, так и с квадратной формой ячеек (с размерами отверстий не более 220 мм) существенно не влияет на величину коэффициента взаимодействия Существенное влияние на него оказывает тип грунта-заполнителя. Коэффициент взаимодействия при выдергивании /в для георешеток находится в диапазоне от 0,6 до 0,9.

Граница работы модели

1 ОА.................—-------------------------------—

ОДО 0.40 0,60 0.80 1,00 3,20

Коэффициент внутреннего трения грунта/ Материал N81 с Материал Л Материал N23

Рисунок 4 — Экспериментальные зависимости коэффициента взаимодействия при выдергивании от коэффициента внутреннего трения грунта для различных типов геосинтетических материалов Коэффициент взаимодействия при выдергивании/в для геотекстилей значительно меньше аналогичного коэффициента для георешеток. Особенно это проявляется в мелкодисперсных грунтах. Для тканых геотекстилей коэффициент взаимодействия при выдергивании /к находится в диапазоне от

0,35 до 0,8. В конструкции армогрунтовых стен в качестве армирующего материала рекомендуется применять геотекстили, если грунты-заполнители — пески с коэффициентом неоднородности Си > 2,6.

Эмпирические зависимости для рассмотренных трех видов геосинтетических материалов с достаточной для практических целей точностью могут быть аппроксимированы линейными зависимостями:

материал №1 /в = 0,464 • / + 0,448 (3)

материал № 2 fB = 0,704 • / + 0,227 (4)

материал № 3 /в = 1,146 • / - 0,388 (5)

Данные зависимости могут быть использованы для несвязных грунтов, имеющих угол внутреннего трения в диапазоне от 28 до 45 градусов. Значения коэффициента взаимодействия при выдергивании /„ используются при проверке необходимой длины заделки армирующего элемента за плоскость обрушения:

Тт=2- avi ■ Lri ■ fBi ■ tan q> (6)

где TBi- удерживающее усилие, создаваемое армирующим элементом с длиной заделки Lri, кН/м;

aví — вертикальные напряжения, рассчитанные по Мейерхофу, кПа; Lri- длина армирующего элемента в зоне сопротивления выдергиванию. Коэффициент взаимодействия при выдергивании рекомендуется использовать при расчетах общей устойчивости по круглоцилиндрической поверхности скольжения и проверке устойчивости стены против сдвига по первому армирующему элементу.

В третьей главе проводится численное и физическое моделирование земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной, с целью подтверждения адекватности конечно-элементной модели для оценки его напряженно-деформированного состояния.

Численное моделирование методом конечных элементов выполнялось для железнодорожной насыпи на прочном основании высотой 9,5 м, усиленной армогрунтовой стеной системы Террамеш, высотой 7 м и шириной 8 м (рисунок 5). В качестве армирующего используется геосинтетический материал №2, а грунта-заполнителя - песок. Грунт моделируется с использованием упругопластической модели Мора-Кулона, а габионы на основе линейной модели.

Модель геосинтетического материала характеризуется параметром -осевая жесткость ЕА, которая определяется по следующей формуле:

где F — растягивающая осевая сила, кН;

ДI - удлинение геосинтетического материала при растяжении, м; I — базовая длина геосинтетического материала, м.

Рисунок 5 - Расчетный поперечный профиль железнодорожной насыпи, усиленной армогрунтовой стеной системы Террамеш При моделировании принят материал с осевой жесткостью 667 кН/м при 3% удлинении. Моделирование взаимодействия на поверхности грунт-геосинтетический материал выполняется с применением полученного в настоящей диссертационной работе коэффициента взаимодействия при выдергивании /в, для материала №2 и несвязного грунта (эмпирическая зависимость 4). При численном моделировании сооружение насыпи, усиленной армогрунтовой стеной, выполняется поэтапно, слоями по 1,5 м. На завершающем этапе прикладывалась статическая поездная нагрузка интенсивностью Р„=80 кПа. При численном моделировании контролировались горизонтальные перемещения лицевой части армогрунтовой стены в четырех характерных точках А, В, С, В с шагом 3—4 габиона (рисунок 6). По результатам моделирования, наименьшие горизонтальные перемещения лицевой части произошли в верхней А и нижней О точках армогрунтовой стены (см. таблицу 1). Горизонтальные деформации лицевой части не превысили 0,24 % ширины армогрунтовой стены.

Рисунок 6 — Общие перемещения железнодорожной насыпи, усиленной армогрунтовой стеной Центробежное моделирование проводилось на геотехнической центробежной установке кафедры «Путь и путевое хозяйство» МГУПС (МИИТ). Целью физического моделирования является определение величины горизонтальных перемещений лицевой части армогрунтовой стены на прочном основании для сопоставления с результатами численного моделирования.

При физическом моделировании на центробежной установке приняты те же параметры железнодорожной насыпи, усиленной армогрунтовой стеной, как и при численном моделировании (рисунок 5). Физическое моделирование выполнено в масштабе 1:42. В период устройства модели и после моделирования методом режущего кольца, послойно, отбирались пробы на плотность и влажность грунтов. В качестве модели армирующего материала использовалась синтетическая москитная сетка. Для определения осевой жесткости москитной сетки ЕАМ были выполнены испытания на растяжение. Осевая жесткость модели армирующего элемента при 3% удлинении равна ЕАЫ = 15,40 кНУм, что при пересчете на реальную жесткость составит:

ЕА — ЕАМ ■ п — 15,40 • 42 = 646,8 кН/м (8)

где п - масштаб моделирования.

Рисунок 7 — Фотография модели земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной, в каретке центробежной установки Для визуальной оценки состояния объекта моделирования велась фотосъемка с одной из сторон каретки, выполненной из оргстекла (рисунок 7).

Для фиксации перемещений конструкции до и после моделирования проводилась съемка поперечного профиля насыпи, усиленной армогрунтовой стеной в трёх сечениях (по краям и середине насыпи). Общая продолжительность моделирования, в пересчете на реальное время, составляет 2,7 месяца.

Для оценки величин перемещений, друг на друга были наложены поперечные профили, снятые до и после моделирования, в середине насыпи с армогрунтовой стеной (рисунок 8).

Рисунок 8 - Поперечный профиль середины насыпи с армогрунтовой стеной По результатам моделирования, видимых деформаций основной площадки, откосов насыпи и армогрунтовой стены не наблюдалось (рисунок 7). Зафиксированы незначительные вертикальные перемещения на уровне

основной площадки и откосе со стороны армогрунтовой стены (рисунок 8). При этом в период разгона центрифуги происходит интенсивное обжатие фунтов модели, которое можно интерпретировать как нагрузку в течение строительного периода.

Величины горизонтальных перемещений лицевой части в точках А, В, С и О находятся в диапазоне от 14,6 до 21,7 мм (таблица 2), что не превышает 0,27% ширины стены.

Таблица 1 - Данные сравнения горизонтальных перемещений лицевой части армогрунтовой стены по результатам численного и физического моделирования

Точка Результаты центробежного моделирования Результаты моделирования МКЭ Погрешность %

Расстояние от основания стены, м Горизонтальное перемещение, мм Расстояние от основания стены, м Горизонтальное перемещение, мм

А 6,4 16,7 6,4 14,8 11,4%

В 5,2 20,2 5,2 18,1 10,4%

С 3,0 21,7 3,0 19,5 10,1%

Б 0,9 14,6 0,9 13,4 8,2%

Проведенное численное моделирование методом конечных элементов показало хорошую сходимость с результатами физического моделирования на центробежной установке МГУПС (МИИТ). Максимальная величина отклонения горизонтальных перемещений лицевой части армогрунтовой стены, полученная с использованием двух методов, не превысила 11,4% (см. таблицу 1). Используемая при численном моделировании конечно-элементная модель земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной, может быть рекомендована для оценки его напряженно-деформированного состояния.

В четвертой главе на основании проведенных расчетов земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной, по первой и второй группе предельных состояний даны рекомендации к величине допустимой горизонтальной деформации и осевой жесткости геосинтетического материала.

Расчеты по первой и второй группе предельных состояний выполнялись для армогунтовых стен, воспринимающих нагрузку от подвижного состава (рисунок 9). При расчетах приняты следующие параметры армогрунтовой стены: длина армирования одинакова по всей высоте, используется только один тип геосинтетического материала, шаг армирования равен 0,45 м.

На первом этапе для уменьшения числа факторов, используемых в исследовании, выполнена оценка влияния величин механических и деформационных характеристик материалов, применяемых в конструкции

армогрунтовых стен, на ее деформативность. Для этого использовался расчет чувствительности «.Sensitivity» в программе Plaxis 2D.

Рисунок 9 - Схема железнодорожной насыпи, усиленной армогрунтовой

стеной

Расчет позволил оценить, как, при изменении одного из варьируемых параметров, изменяется величина горизонтального перемещения лицевой части стены на высоте 2/3Н от основания. В таблице 2 приведены интервалы варьирования, то есть минимальное и максимальное значения прочностных и деформационных характеристик материалов.

Таблица 2 - Интервалы варьирования для характеристик материалов в конструкции армогрунтовых стен

Тип элемента Параметр Минимальное значение Максимальное значение

Грунт основания Модуль деформации Е, кПа 6 000 35 000

Угол внутреннего трения <р, град 15 30

Сцепление с, кПа 10 45

Грунт заполнитель Модуль деформации Е, кН/м 25 ООО 50 000

Угол внутреннего трения <р, град 28 46

Облицовка Осевая жесткость ЕА,, кН/м 4 ООО ООО 10 000 000

Жесткость на изгиб Е1, кН м/м2 5 000 100 000

Георешетка Осевая жесткость ЕА, кНУм 300 3 000

Результаты расчета чувствительности «Sensitivity» показали, что изменение характеристик грунта основания и облицовки в исследуемом диапазоне незначительно влияют на изменение величины горизонтальных перемещений. Наибольшее влияния на эту величину оказывает изменение угла внутреннего трения грунта заполнителя <р - 36,9 % и осевой жесткости геосинтетического материала ЕА - 42%.

Далее для пяти факторов выполнено параметрическое исследование с определением коэффициента общей устойчивости ку и максимального горизонтального перемещения Ахг — лицевой части армогрунтовой стены. Перечень исследуемых факторов и три уровня их варьирования приведены в таблице 3.

Расчет общей устойчивости земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной, выполнялся в программном комплексе СеоБШсНоБЮРЕ/УУ по методу Бишопа с круглоцшшндрической поверхностью смещения без учета напряженно-деформированного состояния. При расчете устойчивости в модели учитывается величина долговременной прочности геосинтетического материала и коэффициента взаимодействия при выдёргивании /"„.

Таблица 3 — Факторы, используемые в исследовании, и интервалы их варьирования

Фактор 1 уровень 2 уровень 3 уровень

Высота армогрунтовой стены Н, м 6 9 12

Ширина армогрунтовой стены Ь, м 0,6Н 0,8Н 1Н

Угол отклонения облицовки от вертикали а, град 0 4 10

Угол внутреннего трения грунта засыпки </>, град 28 34 40

Долговременная прочность при высоте 6 м Д,, кН/м 10 15 20

Долговременная прочность при высоте 9 м Д(, кН/м 20 25 30

Долговременная прочность при высоте 12 м Я,, кН/м 25 32,5 40

Осевая жесткость при высоте стены 6 м ЕА, кН/м 500 750 1 000

Осевая жесткость при высоте стены 9 м ЕА, кН/м 1000 1400 1 800

Осевая жесткость при высоте стены 12 м ЕА, кН/м 1 400 1 900 2 400

Оценка напряженно-деформированного состояния выполнялась методом конечных элементов с использованием моделей и характеристик материалов, апробированных в предыдущей главе.

По результатам расчетов, выполнен множественный регрессионный анализ. Для факторов, влияющих на общую устойчивость, получена следующая линейная регрессионная зависимость:

ку = -0,715 - 0,168 ■ Я + 0,112 ■ Ь + 0,0173 ■ а + 0,0536 • ср + 0,042 ■ (9) Для факторов, влияющих на величину горизонтальных перемещений, линейная регрессионная зависимость имеет следующий вид:

Дхг = 391,542 + 34,708 • Я - 16,187 • I - 3,967 • а - 11,375 ■ <р - 0,0517 • ЕА (10) Размерность факторов, используемых в зависимостях 9 и 10, соответствует приведенным в таблице 3. По полученным значениям горизонтальных перемещений рассчитывается величина горизонтальной деформации £г армогрунтовой стены по следующей формуле:

£г=^-100 (Ц) где I - ширина армогрунтовой стены, м.

Для обоснования величины допустимой деформации были сопоставлены значения коэффициента устойчивости ку и максимальной горизонтальной деформацией лицевой части армогрунтовой стены Дхг, полученные при одних и тех же параметрах конструкции (рисунок 10).

0,8 0,9 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5

Коэффициент устойчивости

—-»-6м —и—9м 12м

Рисунок 10 - Сопоставление коэффициента общей устойчивости ку земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной, с горизонтальной деформацией £г ее лицевой части Критерию устойчивости ку = 1,20 земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной, соответствует величина горизонтальной деформации в диапазоне от 1,35 до 1,55%. За допустимую горизонтальную деформацию армогрунтовых стен для усиления земляного полотна рекомендуется принимать минимальную величину в полученном диапазоне, равную [£,.] = 1,35%.

По рекомендованной величине допустимой горизонтальной деформации определим минимальные значения осевой жесткости геосинтетического материала в зависимости от принятых характеристик прочности грунта заполнителя (рисунок 11).

геосинтетического материала в зависимости от принятых характеристик прочности грунта заполнителя

Зависимости были построены для армогрунтовых стен высотой до 6 м и от 6 до 9 м. На величину горизонтальной деформации лицевой части армогрунтовой стены значительное влияние оказывает наличие статической поездной нагрузки (рисунок 11).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Анализ причин и их комбинаций дали возможность отнести к основным, приводящим к потере устойчивости или значительным деформациям армогрунтовых стен, следующие:

> недостаточная прочность грунта-заполнителя;

> недостаточная прочность и жесткость геосинтетического армирующего материала;

> недостаточная длина армирования и ширина стены;

> отсутствие или неэффективность работы дренажной системы.

2. Разработан и изготовлен лабораторный стенд, позволяющий проводить испытания на выдергивание геосинтетического материала из грунта заполнителя.

3. Разработана и апробирована методика проведения испытаний на выдергивание геосинтетических материалов из фунта.

4. Полученные значения коэффициента взаимодействия при выдергивании /в для георешеток находятся в диапазоне от 0,6 (для песков мелких) до 0,9 (для песчано-гравийных смесей), а для геотекстилей - в диапазоне от 0,35 до 0,8 соответственно.

5. На основании проведенных испытаний на выдергивание получены эмпирические зависимости коэффициента взаимодействия при выдергивании/я от угла внутреннего трения для несвязных грунтов и различных типов геосинтетических материалов.

6. Эмпирические зависимости коэффициента взаимодействия при выдергивании /„ от угла внутреннего трения грунта для различных типов геосинтетических материалов рекомендуется использовать при расчетах устойчивости и оценке напряженно-деформированного состояния земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной.

7. Численное моделирование, выполненное для железнодорожной насыпи, усиленной армогрунтовой стеной системы Террамеш, на прочном основании, показало, что величины горизонтальных перемещений ее лицевой части составили от 13,4 до 19,5 мм, что не превысило 0,24% ширины стены.

8. Полученные при физическом моделировании на геотехнической центробежной установке МГУПС (МИИТ) горизонтальные перемещения лицевой части армогрунтовой стены системы Террамеш составили от 14,6 до 21,7 мм, что не превысило 0,27% ширины стены.

9. Полученная разница между результатами численного и физического моделирования составила порядка 11,4%, что подтверждает адекватность используемой конечно-элементной модели на основе упругопластической модели Мора-Кулона для оценки напряженно-деформированного состояния земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной.

10. Проведенный анализ чувствительности в зависимости от физико-механических характеристик материалов, применяемых в конструкции армогрунтовых стен, показал, что наибольшее влияние на величину горизонтальных перемещений лицевой части оказывает угол внутреннего трения грунта-заполнителя и осевая жесткость геосинтетического материала.

11. На основании проведенных исследований рекомендована величина допустимой горизонтальной деформации лицевой части армогрунтовой стены.

12. Даны рекомендации по выбору величины осевой жесткости геосинтетического материала, в зависимости от принятых характеристик прочности грунта-заполнителя.

13. На основе проведенных расчетов общей устойчивости и напряженно-деформированного состояния были построены многофакторные регрессионные модели, позволяющие прогнозировать величину коэффициента устойчивости земляного полотна на прочном основании, усиленного

армогрунтовой стеной, и ее максимальные горизонтальные перемещения. Построенные модели могут быть добавлены в существующую методику в части предварительного прогноза влияния конструктивных параметров (высота и ширина стены, угол отклонения лицевой части от вертикали, угол внутреннего трения грунта, долговременная прочность и осевая жесткость геосинтетического армирующего материала) армогрунтовой стены на ее устойчивость и деформативность.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

— в журналах, входящих в перечень рекомендуемых ВАК:

1. Костоусов, А. Н. Высокие насыпи и усиление их устойчивости / А. Н. Костоусов // Мир транспорта. -2011.-№5.-С. 170-175.

2. Костоусов, А. Н. Взаимодействие геосинтетических материалов с грунтом армогрунтовых стен / А. Н. Костоусов // Мир транспорта. - 2013. - № 2.-С. 174-179.

3. The geogrid-reinforced soil parameters in field and pullout tests / V.V. Vinogradov, A.A. Zaytsev, Y.K. Frolovsky& A.N. Kostousov // Proceedings of the 8th International Conference on Physical Modelling in Geotechnics. - 2014. - pp. 1131-1136.

— другие научно-технические гадания:

1 Костоусов, А. Н. Армогрунтовые подпорные стены. Исследование поведения армирующего элемента в фунте / А. Н. Костоусов // Научно-практическая конференция Неделя науки - 2010 «Наука МИИТа - транспорту». - М.: МИИТ, 2010. - С. VI-47-VI-48.

2 Костоусов, А. Н. Расчет армофунтовых стен с учетом коэффициента взаимодействия армирующего материала и фунта / А. Н. Костоусов // VII научно -техническая конференция с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути». — М., 2010. — С. 97—98.

3 Костоусов, А. II. Мониторинг габионных и армофунтовых конструкций на железнодорожном транспорте / А. Н. Костоусов, В. В. Винофадов И VII научно-техническая конференция научно-практическая конференция молодых специалистов «Инженерные изыскания в строительстве». - М., 2011.-С. 184-192.

4 Костоусов, А. Н. К вопросу о внутреннем трении в несвязных грунтах армированных одноосной георешеткой / А. Н. Костоусов, В. В. Винофадов // VIII научно-техническая конференция с международным

Го.

участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути». - М., 2011. - С. 209-215.

5 Behavior of the mechanical stabilized walls and its elements in the conditions of the improving of the existing track infrastructure / V. Vinogradov, A. Zaytsev, Y. Frolovsky, A. Kostousov // 5th European Geosynthetics Congress, Valencia. - 2012. - pp. 214-218.

6 Мониторинг армогрунтовых конструкций в эксплуатационный период / В. В. Виноградов, Ю. К. Фроловский, А. А. Зайцев, А. Н. Костоусов // IX научно - техническая конференция с международным участием «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути». - М., 2012. - С. 103-110.

7 Определение коэффициента взаимодействия для различных типов фунта и геосинтетика / Виноградов В. В., Костоусов А. Н., Фроловский Ю. К., Зайцев А. А. // Третья международная научно-техническая конференция «Применение геоматериалов при строительстве и реконструкции транспортных объектов». - СПб, 2013 - С. 42-46.

Костоусов Андрей Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА АРМОГРУНТОВЫХ СТЕН ДЛЯ УСИЛЕНИЯ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА

05.22.06 - Железнодорожный путь, изыскание и проектирование железных

дорог

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати ЛЯоЯЛО/ъ. Заказ № /¿СО Усл.-печ.л. - 1,5

Тираж 80 экз. Формат 60x84/16

Москва, 127994, ул. Образцова 9, стр.9, УПЦ ГИ МИИТ.