CC BY
77
УДК 624.138
05.23.11 - Проектирование и строительство дорог, метрополитенов, аэродромов, мостов и транспортных тоннелей
Овчинников Станислав Александрович
Сибирский государственный университет путей сообщения
Россия, Новосибирск1 Ведущий инженер E-Mail: stas. owchinnikov@yandex.ru
Исследование влияния параметров армирования на механические характеристики упрочненной насыпи
Аннотация: Степень эффективности работы армирующих конструкций, при
упрочнении грунтов земляного полотна, зависит от правильности назначения схемы и параметров армирования. Существует способ упрочнения земляного полотна объемной многокомпонентной структурой, позволяющий упрочнять железнодорожные насыпи ослабленные балластными углублениями поздней стадии развития. В настоящее время не существует методики определения параметров данной структуры в зависимости от действующей нагрузки и грунтовых условий земляного полотна. Выполнен комплекс экспериментальных исследований для определения зависимостей изменения механических характеристик армированной среды от параметров армирования. Исследования основаны на методе эквивалентных материалов выполненных по программе неполного многофакторного анализа. В ходе исследования определена степень влияния каждого параметра армирования на эффективность работы конструкции, а также определено рациональное сочетание параметров армирования для условий работы железнодорожной насыпи. Полученные зависимости позволяют выполнять графический подбор параметров армирования, руководствуясь требуемыми значениями модуля деформации и величиной активного давления на кровле упрочняемого слоя. Данные, полученные в ходе выполнения, исследования легли в основу методики усиления земляного полотна объемной многокомпонентной структурой. Методика внедрена при проектировании упрочнения участка земляного полотна.
Ключевые слова: Откос; основная площадка; земляное полотно; насыпь; армирование грунтов; параметры армирования; напорная инъекция; нагель; предельное давление; модуль деформации.
Идентификационный номер статьи в журнале 38ТУЫ114
'630049, Новосибирск, ул. Д. Ковальчук - 191 1
Stanislav Ovchinnikov
Siberian State University of Transport Engineering
Russia, Novosibirsk E-Mail: stas.owchinnikov@yandex.ru
Investigation of the impact of reinforcement parameters on the mechanical characteristics of strengthened embankment
Abstracts: The level of efficiency of reinforcing structures, when strengthening soils earth subgrade depends on the accuracy of assignment of both scheme and reinforcement. There is the method of stregthening of earth subgrade with volumetric multicomponent structure that allows reinforcing railway embankments, weakened with the ballast cavitations of late stage of development. At present time there is not any procedure of determining of the parameters of this structure, depending on both acting load and ground conditions of earth subgrade. The complex of experimental studies to determine the dependences of changes of mechanical characteristics of reinforced environment on the reinforcement parameters is carried out. The studies are based on the method of equivalent materials, carried out according to the program of incomplete multivariative analysis. As part of the study, the efficiency of each parameter of reinforcement on the operational efficiency of the structure is determined, and the rational combination of the parameters of the reinforcement for operative conditions of the railway embankment is specified. The obtained dependences allow the graphical selection of reinforcement parameters, guided by both target values of deformation modulus and magnitude of active thrust on the roof of the reinforced layer. The data, obtained as part of the study, provided the basis for procedure of the earth subgrade strengthening with the volumetric multicomponent structure. The procedure is implemented, when designing earth subgrade site strengthening.
Keywords: Slope; subgrade; earth roadbed; embankment, soils reinforcement, reinforcement parameters; pressure injection; dowel pin; limit pressure, deformation modulus.
Identification number of article 38TVN114
Перспективным направлением в вопросе повышения стабильности основной площадки и устойчивости откосов насыпей, имеющих в своем строении развитые балластные углубления, является армирование грунтов земляного полотна [1]. Особое место в этом вопросе занимают методы объемного армирования, так как в этом случае прочность конструкции, состоящей из объемного элемента и заключенного в нем грунта, зависит в основном от прочности армирующего элемента [2]. Специалистами СГУПС разработана конструкция объемной многокомпонентной структуры [3, 4] (рисунок 1).
откоса
Рис. 1. Устройство объемного армирующего элемента в теле насыпи
Сущность предложенного способа упрочнения состоит в формировании в теле земляного полотна объемной анизотропной структуры состоящей из горизонтально ориентированных линейных армирующих элементов, объединенных в единый каркас вертикально ориентированными элементами, сформированными путем нагнетания, в определённые области массива грунта, твердеющего раствора [5].
Для изучения свойств данной конструкции армирования и установления взаимосвязи фактических грунтовых условий земляного полотна и параметров армирующей конструкции, разработана и реализована программа экспериментальных исследований. Исследование основано на неполном многофакторном анализе системы [6] и включило в себя серию экспериментов по определению влияния различных параметров армирования на изменение критической нагрузки, при которой происходят необратимые деформации насыпи. На основе данных полученных при реализации данного исследований установлены зависимости свойств грунтового массива от параметров армирования.
Экспериментальные исследования проведены для четырех факторов, оказывающих основное влияние на эффективность работы конструкции - шаг расстановки нагелей, глубина заделки объемной многокомпонентной структуры в прочный массив грунта, угол забивки нагелей и шаг расстановки точек инъекции раствора [7]. Области определения факторов назначались следующим образом:
1. Шаг нагелей в одном ярусе - от 50d до 20d.
2. Глубина заделки в прочный массив грунта - от 1Ь до 0,25Ь м (исходя из анализа наиболее вероятных сдвигающих нагрузок), где Ь - глубина заделки каркаса в прочные слои грунта.
3. Угол забивки нагелей - от 200 (обусловлено тем, что при меньшем угле забивки не будет обеспечено перекрещивание нагелей) до 400 (обусловлено тем, что при большем угле забивки возникают сложности в ходе проведения строительно-монтажных работ).
4. Шаг расстановки точек инъекции раствора - от каждого 4-го узла пересечения нагелей (основано на том, что дальнейшее увеличение шага расстановки инъекций приведет к разрозненной работе элементов) до каждого последующего.
Рандомизация экспериментальных исследований, а так же статистическая обработка результатов выполнялась на базе программного комплекса STATISNICA 10.0. Схема проведения экспериментов приведена на рисунке 2. Для повышения достоверности проведенных исследований каждый опыт выполнялся в шести повторностях, что позволило сформировать выборку для статистической обработки данных исследования [8].
Рис. 2. Схема проведения экспериментальных исследований
Модель насыпи возводилась путем послойной укладки буферных слоев и грунта ослабленной зоны (рисунок 3), при этом, участок ядра насыпи устраивался из более прочного грунта с незначительным уклоном, что позволило моделировать поверхность обрушения откоса. Грунты буферных слоев и ядра насыпи представлены суглинками пылеватыми полутвердой консистенции, плотность грунта в насыпи составляла 1,96 г/см3, при коэффициенте пористости е=0,655. Грунт ослабленной зоны насыпи представлен суглинком тяжелым пылеватым текучей консистенции, плотность грунта в насыпи составляла 1,82 г/см3, при коэффициенте пористости е=1,076.
Рис. 3. Схема модели фрагмента насыпи
Для создания моделей, упрочненных нагельным креплением использовались стержни стеклопластиковой арматуры (выбор материала выполнен в связи с его высокими антикоррозийными свойствами [9, 10]). Для создания линз твердеющего раствора
использовалась смесь супесчаного грунта твердой консистенции и цемента. Для определения рационального отношения супесчаного грунта и вяжущего выполнены испытания образцов затвердевшего раствора на одноосное сжатие и изгиб.
Для соблюдения идентичности геометрических параметров моделей, выполнялось одновременное устройство трех фрагментов насыпи. В этих целях выполнена разработка котлована глубиной 1 500 мм, и размерами в плане 4 500 х 2 000 мм (рисунок 4). Вскрытый котлован был разделен на секции длиной по 1 500 мм специальными разделительными перегородками, снабженными мерами фрикционной защиты. Защита от трения представляла собой полимерную пленку, уложенную на перегородку по слою смазочного материала. Такая конструкция разделения секторов котлована позволила рассматривать деформирование модели насыпи в условиях плоской задачи.
Рис. 4. Испытание модели насыпи а) общий вид испытания фрагмента насыпи б) предельный перекос штампа
В ходе проведения исследований получены зависимости деформаций модели от давления по подошве штампа. Аналитическая обработка полученных зависимостей позволила выделить участки, в пределах графиков осадки штампа, характеризующиеся линейной зависимостью изменения деформаций от напряжений в грунте. Для этих участков определены значения модуля деформации (Еа) и предельное значение давления ^д) по подошве штампа, при котором конструкция работает еще в стадии линейных деформаций. Графическое отображение результатов экспериментов представлено на графиках (рисунки 5, 6, 7, 8).
Анализ полученных графических зависимостей показывает, что основное влияние на работу объемной многокомпонентной структуры оказывают три из четырех исследуемых параметров. Параметр угла забивки нагелей в плане носит шумовой характер, в связи с чем, его величина должна назначаться исключительно из конструктивных соображений, то есть из условия обеспечения перекрещивания нагелей и технологической возможности забивки нагелей.
Проведенный анализ позволяет выделить наиболее рациональное сочетание параметров армирования. При этом следует различать рациональное сочетание параметров армирования в случае повышение устойчивости и уменьшения сжимаемости. В первом случае рациональное сочетание параметров устанавливается при 0,65Ь, 32d и каждом третьем узле инъектирования
раствора, а во втором случае при 0,45Ь, 40d и так же каждом третьем узле инъектирования раствора.
Результирующее влияние на изменение сжимаемости упрочненного слоя оказывает шаг расстановки массивов упрочненного грунта. Глубина заделки объемной многокомпонентной структуры в прочные слои грунта в этом случае эффективно повышает деформационные характеристики лишь до определенного предела. Границей эффективности в этом случае является величина 0,8Ь (где Ь - ширина ослабленной зоны). Шаг расстановки нагелей также оказывает существенное влияние, поскольку происходит увеличение количества узлов пересечения, а следовательно возрастает количество точек инъектирования, а так же при уменьшении размеров ячейки происходит более эффективное распределение давления на кровле упрочненного слоя.
в
е
8
Ч
<и
ч
о
%
я
я
я
я
г
а
о
■В-
<и
ч
л
ч
ч
о
Шаг расстановки точек инъекции раствора
а
е
и
ч
е
ч
о
%
и
и
ц
а
г
р
о
■в-
е
ч
л
ч
ч
о
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
У = 8, 6921п(х) + г — 0 9986 38,265
У38 ,0
36,6
А4
7 1 п
31,0
26,2
0,00 0,50 1,00 1,50
Глубина заделки объемной армирующей структуры в прочный массив грунта
Рис. 5. Зависимость изменения модуля деформации упрочненного грунта от шага расстановки инъекций и глубины заделки объемной многокомпонентной структуры
в прочные слои земляного полотна
я
Є
я
ч
<и
ч
о
я
я
я
я
г
а
о
■В-
<и
ч
л
п
ч
о
42
40
38
36
34
32
30
28
26
24
у = 0,01 25x2 - 0,6 38,49 269х +
= 0,9984
,5
/*2
™ 032,0
30,9 30,9
10,0 30,0 50,0 70,0
Шаг стержней в горизонтальной плоскости (долей единиц от диаметра стержня)
Рис. 6. Зависимость изменения модуля деформации упрочненного грунта от шага ______стержней и угла забивки стержней в горизонтальной плоскости
800
в
Є
5й
аГ
Я
Я
<и
П
СО
<я
ч
<и
о
я
Л
п
ч
<и
а
С
750
700
650
600
550
500
2' ^ 8 8 4 1 1 у 7x2 - 302,С 589,01 і 0,9994 3х + 776,9
Т 6< 2.4 2.4
/ 591, 7
542,6 552,9
0,00 0,50 1,00 1,50
Глубина заделки объемной многокомпонентной структуры в прочный массив грунта
Рис. 7. Зависимость предельного давления на кровле упрочненного грунта от глубины заделки объемной многокомпонентной структуры в прочные слои земляного полотна и шага
расстановки точек инъекции раствора
я
Є
Ы
«Г
Я
Я
<и
П
СО
<я
ч
<и
о
X
л
п
<и
ч
<и
а
С
800
750
700
650
600
550
500
У = -0,1 686x2 +1 244,13 7,333х +
г = 0,9975 68 7,4
68 1,4 /Г4
640,3
593,4 Г
523,9
10,0 30,0 50,0 70,0
Шаг стержней в горизонтальной плоскости
800
750
а
Є
к
«Г
и
н
е
л
в
а
ч
е
о
н
ь
л
е
ч
е
р
С
700
650
600
550
500
У = 0,168х + 6 г = 0,1382 19,43 1
624,7
626,3 62 2,7 6 6 - Л о 6 и) 0,
20,0 30,0 40,0 50,0
Угол забивки стержней, град.
Рис. 8. Зависимость предельного давления на кровле упрочненного грунта от шага стержней и угла забивки стержней в горизонтальной плоскости
Основные сочетания параметров армирования и их влияние на модуль деформации отражены на рисунке 9. Изменение предельного давления на кровле упрочненного массива в основном определяется параметрами нагельной части конструкции. При этом результирующее влияние имеет глубина заделки конструкции в прочные слои грунта, а шаг расстановки нагелей имеет определённый предел повышения эффективности, равный 35d (где d - диаметр нагеля). Основные сочетания параметров армирования и их влияние на повышение предельного давления отражены на рисунке 10.
а) б) в)
Рис. 9. Сочетания параметров армирования и их влияние на модуль деформации а) Шаг расстановки инъекций и глубина заделки конструкции в прочные слои грунта; б) Шаг расстановки нагелей и глубина заделки конструкции в прочные слои грунта; в) Шаг расстановки инъекций и шаг расстановки нагелей
Проведенный анализ позволил установить, что применение объемной многокомпонентной структуры позволяет повысить модуль деформации грунта до 45 МПа, предельное давление на кровле упрочненного слоя до 890 кПа.
Как уже было сказано выше, значения полученных прочностных и деформационных характеристик определены в границах упруго-пластической фазы деформирования грунта. Это значит, что при назначении параметров армирования на основе полученных зависимостей, деформации грунта не перейдут фазу сдвигов.
б) в)
Рис. 10. Основные сочетания параметров армирования и их влияние на повышение предельного давления а) Шаг расстановки инъекций и глубина заделки конструкции в прочные слои грунта; б) Шаг расстановки нагелей и глубина заделки конструкции в прочные слои грунта; в) Шаг расстановки инъекций и шаг расстановки нагелей
Данные полученные в ходе проведения экспериментальных исследований легли в основу методики проектирования упрочнения земляного полотна железных дорог объемной многокомпонентной структурой. Методика предусматривает подбор параметров армирования исходя из значений фактически действующих напряжений на кровле ослабленной зоны и требуемого значения модуля деформации (подбор выполняется по графикам приведенным на рисунках 5, 6, 7, 8). Выбранные параметры армирования используются при расчете напряженно деформированного состояния насыпи, на основании которого выполняется их уточнение.
Таким образом, в ходе выполнения работ по исследованию способа упрочнения земляного полотна объемными армирующими конструкциями, получены следующие результаты:
1. Проведенный многофакторный анализ позволил установить, что применение объемной многокомпонентной структуры позволяет повысить модуль деформации грунта до 45 МПа, предельное давление на кровле упрочненного слоя до 890 кПа.
2. Получены графики зависимости прочностных и деформационных характеристик упрочненного слоя от основных параметров армирования (рисунок 5, 6, 7, 8);
3. Проведенный анализ позволяет выделить наиболее рациональное сочетание параметров армирования. При этом следует различать рациональное сочетание параметров армирования в случае повышение устойчивости и уменьшения сжимаемости. В первом случае рациональное сочетание параметров устанавливается при 0,65Ь, 32d и каждом третьем узле инъектирования раствора, а во втором случае при 0,45Ь, 40d и так же каждом третьем узле инъектирования раствора.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ланис А.Л., Овчинников С.А. Усиление грунтов земляного полотна армирующими конструкциями // Труды IX международной конференции «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути».: Изд-во МГУПС, 2012 г. - С. 11-113.
2. Пшеничникова Е.С. Экспериментальное определение модуля упругости георешетки Геовеб с заполнителем из песка. Транспортное строительство №4, 2002 г. с.21-22.
3. Ланис А.Л., Овчинников С.А. Восстановление эксплуатационной надежности земляного полотна дорог//Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе. Под ред. Юшкова Б.С. Пермь: изд-во Пермского национального исследовательского политехнического университета, 2012г. стр. 48-56;
4. Овчинников С.А. Укрепление земляного полотна объемными армирующими конструкциями. // Известия транссиба. 2013. №3 (15) - С. 120 - 125.
5. Патент RU 2012112721. Способ укрепления откосов земляного полотна. / СГУПС; авт. Ланис А.Л., Овчинников С.А., Скоркин В.Ф. - Заявл. 02.04.2012; Решение о выдаче патента 26.09.2013.
6. Хартман К., Лецкий Э., Шефер В. Планирование экспериментов в исследовании технологических процессов. М., Мир. 1977. 120 с.
7. Ланис А.Л. Применение метода напорной инъекции для усиления насыпей // Путь и путевое хозяйство. 209. №6 - С. 33-35.
8. Яковлева Т.Г., Иванов Д.В. Моделирование прочности и устойчивости откосов земляного полотна // М.: Транспорт, 1980. 256 с.
9. Далинкевич А.А. и др. Кинетика старения базальтовых и некоторых стеклянных волокон в щелочной среде //Пластические массы. Выпуск №12. 2002. 23 - 26с.
10. Блазнов А. Н. и др. О химической стойкости стеклопластиковой арматуры // Проектирование и строительство в Сибири. Выпуск № 3 (21). 2003. 34 - 37с. Яковлева Т.Г., Иванов Д.И. Моделирование прочности и устойчивости земляного полотна. -М.: Транспорт, 1980, 255 с.
Рецензент: Воробьев Валерий Степанович, профессор, декан ф-та «Строительство железных дорог», заведующий кафедрой «Технология, организация и экономика строительства», ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный университет путей сообщения».
REFERENCES
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Lanis A.L., Ovchinnikov S.A. Usilenie gruntov zemljanogo polotna armirujushhimi konstrukcijami // Trudy IX mezhdunarodnoj konferencii «Sovremennye problemy proektirovanija, stroitel'stva i jekspluatacii zheleznodorozhnogo puti».: Izd-vo MGUPS, 2012 g. - S. 11-113.
Pshenichnikova E.S. Jeksperimental'noe opredelenie modulja uprugosti georeshetki Geoveb s zapolnitelem iz peska. Transportnoe stroitel'stvo №4, 2002 g. s.21-22.
Lanis A.L., Ovchinnikov S.A. Vosstanovlenie jekspluatacionnoj nadezhnosti zemljanogo polotna dorog//Modernizacija i nauchnye issledovanija v transportnom komplekse. Pod red. Jushkova B.S. Perm': izd-vo Permskogo nacional'nogo issledovatel'skogo politehnicheskogo universiteta, 2012g. str. 48-56;
Ovchinnikov S.A. Ukreplenie zemljanogo polotna ob#emnymi armirujushhimi konstrukcijami. // Izvestija transsiba. 2013. №3 (15) - S. 120 - 125.
Patent RU 2012112721. Sposob ukreplenija otkosov zemljanogo polotna. / SGUPS; avt. Lanis A.L., Ovchinnikov S.A., Skorkin V.F. - Zajavl. 02.04.2012; Reshenie o vydache patenta 26.09.2013.
Hartman K., Leckij Je., Shefer V. Planirovanie jeksperimentov v issledovanii tehnologicheskih processov. M., Mir. 1977. 120 s.
Lanis A.L. Primenenie metoda napornoj in#ekcii dlja usilenija nasypej // Put' i putevoe hozjajstvo. 209. №6 - S. 33-35.
Jakovleva T.G., Ivanov D.V. Modelirovanie prochnosti i ustojchivosti otkosov zemljanogo polotna // M.: Transport, 1980. 256 s.
Dalinkevich A.A. i dr. Kinetika starenija bazal'tovyh i nekotoryh stekljannyh volokon v shhelochnoj srede //Plasticheskie massy. Vypusk №12. 2002. 23 - 26s.
Blaznov A. N. i dr. O himicheskoj stojkosti stekloplastikovoj armatury // Proektirovanie i stroitel'stvo v Sibiri. Vypusk № 3 (21). 2003. 34 - 37s.Jakovleva T.G., Ivanov D.I. Modelirovanie prochnosti i ustojchivosti zemljanogo polotna. -M.: Transport, 1980,
255 s.
