автореферат диссертации по строительству, 05.23.08, диссертация на тему:Технология укрепления откосов земляных сооружений прорезными геосотовыми конструкциями

? ? I V8 ч/ • ё

3 Л А

/ I V V «

Уфимский государственный нефтяной технический

университет

На правах рукописи

КОЩИН АНДРЕЙ ДМИТРИЕВИЧ

Технология укрепления откосов земляных сооружений прорезными геосотовыми конструкциями

Специальность 05.23.08 - Технология и организация промышленного и гражданского строительства

Диссертация

на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент И.Б.Абдуллин

Уфа, 1998

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

стр. 5

Глава I. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ

ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ 9

1.1. Обзор практики применения геосинтетических материалов 9

1.2. Общая характеристика геосинтетических материалов 10

1.3. Основные функции геосинтетических рулонных материалов 15

1.4. Общая технология производства работ 16

1.5. Технология применение геосинтетики для повышения

устойчивости откосов 19

1.6. Технология противоэрозионной защиты земляных сооружений

с применением геосинтетических материалов 24

1.7. Технология противоэрозионной защиты на основе геосот 32

1.8. Цели и задачи исследования 36

Глава II. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОРЕЗНЫХ ГЕОСОТ 37

2.1. Геометрические характеристики геосотовых конструкций 37

2.2. Определение усилий в геосотах от веса грунта 45

2.3. Определение усилий в геосотах от веса неравномерно распределенного грунта 48

2.4. Определение усилий в геосотах при уплотнении грунта засыпки 49

2.5. Условия прочности геосот 51

Глава III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ПРОРЕЗНЫХ ГЕОСОТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ 52

3.1. Планирование эксперимента. Методы статистической обработки

и анализ данных 52

3.2. Исходные геосинтетические материалы 61

3.3. Механические испытания геосотовых конструкций 64

3.3.1. Определение линейных размеров и поверхностной плотности нетканых материалов. 64

3.3.2. Определение показателей прочности при одноосном

растяжении материалов до разрыва. 65

3.3.3. Определение жесткости и упругости материалов 67

3.3.4. Результаты экспериментов 68

3.4. Оценка фильтрующей способности прорезных геосотовых конструкций и обратных фильтров в откосах 69

3.5. Оптимальные соотношения параметров прорезных

геосотовых конструкций 74

Глава IV. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УКРЕПЛЕНИЮ ОТКОСОВ ПРОРЕЗНЫМИ ГЕОСОТОВЫМИ КОНСТРУКЦИЯМИ 75

4.1. Основные технологические схемы и расчёты 75

4.1.1. Раскладка геосотовых конструкций 75

4.1.2. Основные расчёты при заполнении грунтом ячеек геосот грейдер-элеватором 77

4.1.3. Уплотнение грунта засыпки ручными катками 84

4.2. Границы применения технологии устройства противоэрозионной защиты прорезными геосотовыми конструкциями 86

4.3. Оценка технико-экономической эффективности применения технологии укрепления откосов геосотовыми конструкциями 91

4.4. Технологическая карта 92

4.4.1 .Область применения технологической карты 92

4.4.2. Технология и организация строительного процесса. 94

4.4.2.1. Указания по подготовке объекта и требования к готовности предшествующих работ 94

4.4.2.2. Указания по технологии работ 94 4.4.2.3.Особенности укладки прорезных геосотовых конструкций 97 4.4.2.4.Указания по организации труда 98 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 105 ЛИТЕРАТУРА 106

ПРИЛОЖЕНИЕ №1 ПРИЛОЖЕНИЕ №2 ПРИЛОЖЕНИЕ №3 ПРИЛОЖЕНИЕ №4 ПРИЛОЖЕНИЕ №5 ПРИЛОЖЕНИЕ №6

Введение

В настоящее время при проектировании технологии устройства земляных сооружений должны учитываться следующие показатели: стоимость строительства, средние затраты на профилактический ремонт в период эксплуатации, экологические требования, требования безопасности и устойчивость земляных сооружений .

Строительство земляных сооружений и дорог на слабых и обводненных грунтах связано со значительным увеличением по сравнению со стандартными условиями стоимости возведения основания, составляющей обычно 60 - 70 % полной стоимости. Помимо этого, как показывает практика, сложные инженерно-геологические условия строительства приводят к весьма частым нарушениям устойчивости земляного полотна и защитных сооружений [4].

Существующая практика технологического проектирования не во всех случаях в полном объеме учитывает современные требования к оценке необходимой устойчивости при возведении основания и размещения земляного полотна на сложных участках рельефа местности. При разработке индивидуальных проектных решений к ним предъявляются как правило, только общие требования, установленные СНиПом и СН для типовых проектов, что является необходимым, но недостаточным условием для обеспечения неизменности формы земляного полотна, его устойчивости в период строительства и эксплуатации в сложных инженерно - геологических условиях [1].

Эффективность капитальных вложений в строительство для таких районов может быть достигнута только на основе комплексного подхода к технологии возведения земляных сооружений с обязательным учетом всех природных факторов и обстоятельств, определяемых конкретными условиями, а также влиянием сооружений на окружающую геологическую среду, учет на стадии проектирования требований безопасности и экологии [4, 5, 10, 129, 143, 148, 159, 162].

В дорожном строительстве несмотря на существенное увеличение в последние годы общих расходов на строительство и капитальный ремонт земляного

полотна, количество и протяженность деформированных участков увеличилось. Например, исследования Заворицкого В.И., осуществленные для различных регионов Украины, свидетельствуют о том, что 33% высоких насыпей (более 9 м) деформированы, при этом наибольшее количество деформаций отмечено в насыпях, сооруженных из глинистых и суглинистых грунтов [1,5]. Как правило, потеря устойчивости откосов высоких насыпей происходит не сразу после их строительства, а через некоторое время от эксплуатационных нагрузок, водной и ветровой эрозии откосов данных земляных сооружений. Это обстоятельство заставляет проектировщиков более осторожно и внимательно относиться к проектированию высоких насыпей, а иногда и отказываться от таких конструкций.

Полноценное обще методическое обеспечение проблемы разработки технологии возведения земляных сооружений, в том числе и автомобильных дорог, подтвержденное соответствующими нормативными документами, в настоящее время отсутствует, хотя попытки разработки таких документов предпринимались [1, 15, 27, 28, 48, 68, 69, 83, 84].

В соответствии со СНиП 2.05.02-85 проектирование защитных и удерживающих конструкций, применяемых при возведении земляных сооружений, должно осуществляться на основе специальных нормативных и методических документов с обязательным обоснованием принимаемых проектных решений соответствующими расчетами [134, 139, 140, 144, 161, 162].

В представленной работе даются материалы экспериментально-теоретических исследований в области технологии защиты откосов насыпей и выемок с помощью новых прорезных геосотовых синтетических конструкций, позволяющие выполнять проектирование и строительство земляных сооружений более эффективно.

Целью диссертационной работы является разработка технологии устройства противоэрозионной защиты откосов насыпей, выемок земляных сооружений прорезными геосинтетическими сотовыми конструкциями.

При этом решаются следующие задачи: 1 .Оптимизация технологии устройства откосов из прорезных геосотовых конструкций;

2.Оптимизация компоновки прорезных геосотовых конструкций для повышения технологичности укладки.

Научная новизна работы заключается в разработке технологии противоэрозионной защиты земляных сооружений прорезными геосотовыми конструкциями, в разработке методики расчёта и оптимизации технологических параметров.

Практическое значение работы состоит в том, что разработанная технология и рекомендации позволяют существенно сократить объём работ по укреплению откосов, улучшить противоэрозионные свойства покрытий откосов, выбрать оптимальные прорезные геосотовые конструкции и рассчитать технологические параметры устройства откосов. Рекомендации и технологическая карта могут быть использованы проектными и строительными организациями при проектировании новых и ремонте старых земляных сооружений. На защиту выносятся:

- технология противоэрозионной защиты земляных сооружений новыми прорезными геосотами;

- методы расчёта технологических параметров устройства земляных сооружений прорезными геосотовыми конструкциями;

- методика выбора оптимальных технологических параметров и размеров прорезных геосотовых конструкций .

Публикации: основное содержание диссертации отражено в 9 опубликованных работах.

Апробация работы: Основные результаты исследований изложены в материалах 3-й Украинской научно-технической конференции по механике грунтов и фундаментостроению (Одесса, сентябрь 1997 год), в материалах международного научно-технического семинара при 3-й международной специализированной выставке "Строительство, архитектура, коммунальное

хозяйство - 97", в рекомендациях на укрепление откосов (ПРСО "Башкир-авто дор", 1997), в материалах международной конференции "Проблемы нефтегазового комплекса России (Уфа, май 1998 год).

Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, общих выводов, библиографии, приложений. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, включая 48 иллюстраций, 14 таблиц, содержит 6 приложений на 27 страницах, список литературы состоит из 173 наименований, в том числе 81 на иностранном языке.

В главе I дан обзор отечественных и зарубежных исследований по данным литературных источников в области технологии применения геосинтетических материалов для армирования, защиты, фильтрации земляных сооружений. Изложены конструктивные и технологические особенности противоэрозионной защиты земляных сооружений с использованием геосотовых материалов. Предложены способы оптимизации конструктивных решений и технологии возведения. Определены основные проблемы и направления решения поставленной задачи.

В главе II даны теоретические предпосылки, изложена методика расчёта прорезных геосотовых конструкций, определены оптимальные соотношения геометрических параметров конструкций.

В главе III приведены характеристики исходных материалов, методика и результаты экспериментальных исследований поведения геосотовых материалов от воздействия различных нагрузок.

В главе IV приведены технологические расчёты, рекомендации и технологическая карта противоэрозионной защиты откосов прорезными геосотовыми конструкциями и изложен расчёт экономической эффективности.

Диссертационная работа выполнена автором на кафедре "Технология строительного производства и фундаменты" Уфимского государственного нефтяного технического университета, отдельные эксперименты выполнены на кафедре материаловедения Уфимского технологического института сервиса, в лабораториях и на производственной базе ПРСО "Башкиравтодор".

Глава I. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПРИМЕНЕНИЯ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Обзор практики применения геосинтетических материалов.

В начале 70-х годов рулонные синтетические (геотекстильные) материалы (СМ) применялись лишь в отдельных случаях для обеспечения временного укрепления земляных сооружений в сложных грунтовых условиях. В 80-х годах началось широкое их внедрение в практику строительства, особенно за рубежом. Так, объем производства СМ для строительства только в странах Западной Европы в 1985 г. составлял более 120 млн.м и увеличился за последние десять лет в 4 раза, а за последние пять лет - в 2 раза. По данным работ [1,2], в 90-е годы объем производства СМ в мире достигает 1 млрд. м2. Значительно увеличился и ассортимент СМ (более 400 наименований - [2] ), причем некоторые из них создаются для конкретных целей строительства. В России разработаны и внедряются в возрастающих, но сравнительно еще небольших масштабах несколько типов СМ .

Благодаря ценным свойствам, технологичности СМ применяются в разных областях строительства - от усиления покрытий до улучшения работы дренажных систем, что позволяет решать задачи по сокращению материалоёмкости и повышения эксплуатационной надежности земляных сооружений в целом или отдельных их элементов. Для решения в международном масштабе проблем, связанных с применением СМ, проводятся международные конференции, организован Международный комитет по геотекстилю (IGS-International Geotextile Société). Годовое производство СМ в мире превышает 1 млрд. метров. Номенклатура и объем применения СМ постоянно расширяется. В США ежегодно применяют более 200 млн. метров геотекстильного полотна. Причем объем его использования увеличивают ежегодно на 15-20 %.

Ведущей организацией по разработке данной темы от России является Гипродорнии Минавтодора . В ряде стран проведены национальные конфе-

ренции , в том числе в России в 1987-93гг. , разработаны нормативы применения СМ .

С 01.01.1987 г. введены в действие подготовленные Гипродорнии совместно с МАДИ ВСН 49-86 "Указание по повышению несущей способности земляного полотна и дорожных одежд с применением синтетических материалов" [12], которые являются первым документом в отечественной практике, обобщающим нормативы применения СМ в дорожном строительстве (усиление земляного полотна и нижних слоев дорожных одежд, обеспечение устойчивости откосов, дренирование грунтов). Имеющиеся производственный опыт и результаты научных исследований наиболее полно представлены в работе [13], всего в мире опубликовано свыше 5 тыс. работ по рассматриваемому вопросу. Материалы, отражающие первый опыт применения СМ в практике дорожного строительства, изложены в работе [15].

1.2. Общая характеристика геосинтетических материалов.

Геосинтетические материалы представляют собой тонкие, гибкие полотна, получаемые посредством соединения волокон или нитей из синтетического или вторичного сырья, включающего в том числе несинтетические компоненты, механическими (плетение, иглопробивание), химическими (склеивание) или термическими (сплавление) способами. Применительно к ним получили распространение такие общие термины, как синтетические текстильные, геосинтетические и более узкие термины - геотекстильные материалы (обычно подразумеваются дренирующие СМ), геомембраны (обычно подразумеваются армирующие тканые СМ). Свойства СМ, определяющие их функциональные возможности, зависят от вида исходного сырья (наиболее распространенными из них являются полиэфир, полиамид, полипропилен, полиэтилен) и технологии производства. В табл. 1 приведены характеристики СМ в зависимости от состава сырья [13,14,16-18].

Как следует из табл.1, волокна из основных видов сырья отличаются , как правило, хорошими механическими свойствами стойкостью к различным агрессивным воздействиям, возникающим в процессе эксплуатации. В тоже вре-

мя следует ограничивать применение полиамидных СМ в кислотных средах (рН<5,5), полипропиленовых и полиэтиленовых - в условиях длительного действия значительной нагрузки

Таблица 1.2.1

Наименование Исходное сырьё

показателей Полиэфир Полиамид Полипропилен Полиэтилен

1 2 3 4 5

Механические хорошие хорошие низкая дли- низкая дли-

свойства волокон тельная проч- тель-

- разрывная ность ная прочность

прочность, МПа 35 -90 45 - 70 22-55 32-65

- разрывное уд-

линение, % 15 -40 30-80 15-30 15-30

Плотность воло-

кон, т/м3 1,36- 1,38 1,14 0,9 - 0,92 0,95 - 0,96

Водопоглощение,

% 0,2- 1,0 3,5 - 9,0 0 0

Температура

плавления, С0 260 215-370 165 130

Водостойкость хорошая, снижение хорошая хорошая

снижение при ув-

при ув- лажнении

лажнении Яр до 30%

Яр до 5%

Биостойкость: хорошая хорошая хорошая хорошая

Химическая

стойкость: снижение снижение хорошая хорошая

Яр в ще- Ыр в кис-

лочной лотной

среде среде с

(гидро- рН< 5,5

окись

кальция)

Светостойкость,

баллы 4 3 3 1

Износостойкость,

баллы 4 3-4 3 3

- прочность на растяжение.

(например, при армировании откосов), полиэфирных - в щелочных средах (например, на контакте со слоями, содержащими известь, цемент). Кроме того, следует предъявлять повышенные требования к начальной прочности полиамидных материалов, учитывая ее снижение до 30% при увлажнении. Практически все СМ имеют недостаточную светостойкость при длительной эксплуатации под прямым воздействием дневного света. Так, прочность полипропиленовых материалов в этих условиях через 11-16 месяцев снижается на 50% [19], что предопределяет следующие требования: к форме поставки - необходимость упаковки рулонов, к хранению и технологии применения - ограничение периода между укладкой полотен СМ и их засыпкой. Предпочтительный вид сырья для изготовления СМ, используемых в дорожном строительстве, является полиэфир, но для производства многих выпускаемых в мире СМ используется полипропилен, что объясняется более низкой его стоимостью [14, 21].

По технологии производства можно выделить две большие группы СМ -тканые и нетканые. В с