Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ научных разработок использования объемных геосинтетических решеток в конструктивныхслоях дорог 9
1.1. Геосинтетические материалы в конструктивных слоях дорожных одежд автомобильных дорог 9
1.2. Исследования в области расчета дорожных конструкций, армированных георешеткой 11
Выводы по главе 1 19
Глава 2. Теоретическое обоснование применения объемных геосинтетических решеток в дорожных одеждах лесных дорог 20
2.1. Проверка прочностных характеристик дорожных конструкций согласно ОДН 218.046-01. 20
2.2. Теоретическое обоснование деформационно-сдвиговых показателей работы объемной георешетки в щебеночных слоях 25
2.3. Теоретическое обоснование применения объемной георешетки в щебеночных слоях дорожных одежд 28
Выводы по главе 2 34
Глава 3. Программа и методика экспериментальных исследований щебеночных смесей из прочных горных пород, армированных георешеткой 35
3.1. Методика проведения эксперимента исследования сдвиговых процессов щебеночных смесей, армированных объемной георешеткой в металлической оболочке 36
3.2. Методика испытаний щебеночных материалов, армированных объемной георешеткой на сдвиг и срез 39
3.3. Методика испытание в дорожном канале щебеночных материалов армированных объемной георешеткой с определением динамического модуля упругости дорожной конструкции . 41
3.4. Методика штамповых испытаний в дорожном канале щебеночных смесей, армированных объемной георешеткой при изменении заложения ее по глубинев слое покрытия 45
Выводы по главе 3 47
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований щебеночных смесей, армированных георешеткой 48
4.1. Испытание щебеночных смесей, армированных объемной георешеткой на вертикальное сжатие в металлической емкости с возможностью ограниченного бокового сдвига 48
4.1.1. Деформационно-сдвиговые свойства в слое щебеня фр. 0-5 мм и армированного его объемной георешеткой в металлической емкости с возможностью ограниченного бокового сдвига 49
Выводы по пункту 4.1.1. 53
4.1.2. Деформационно-сдвиговые свойства в слоях щебеня фр. 5-20 мм и армированного его объемной георешеткой в металлической емкости с возможностью ограниченного бокового сдвига 53
Выводы по пункту 4.1.2. 65
4.1.3. Деформационно-сдвиговые свойства в слоях щебеня фракции 20-40
мм и армированного его объемной георешеткой в металлической емкости с возможностью ограниченного бокового сдвига 66
Выводы по пункту 4.1.3. 76
4.1.4. Деформационно-сдвиговые свойства в слоях щебеночно-песчаной смеси (ЩПС) марки С5 фр. 0-40 мм и армированной объемной георешеткой в металлической емкости с возможностью ограниченного бокового сдвига 77
Выводы по пункту 4.1.4 88
4.2. Испытание в сдвиговой установке слоев щебеночных смесей, армированных объемной георешеткой на горизонтальный сдвиг и срез 88 Выводы по пункту 4.2. 97
4.3. Испытание в дорожном канале щебеночной смеси ЩПС С5 фр. 0-40 мм, армированной объемной георешеткой на определение динамического модуля упругости дорожной конструкции. 98
Выводы по пункту 4.3. 101
4.4. Штамповые испытания в дорожном канале щебеночных смесей, армированных объемной георешеткой при изменении заложения ее по глубине в слое дорожной одежды 102
Выводы по пункту 4.4. 104
Выводы по главе 4 105
Глава 5. Рекомендации по технологии строительства слоев покрытия армированных объемной георешеткой 106
Глава 6. Технико-экономические расчеты эффективности армирования объемной георешеткой щебеночных покрытий
Выводы по главе 6 113
Основные выводы и рекомендации 114
Список использованных источников 115
- Исследования в области расчета дорожных конструкций, армированных георешеткой
- Теоретическое обоснование деформационно-сдвиговых показателей работы объемной георешетки в щебеночных слоях
- Методика испытание в дорожном канале щебеночных материалов армированных объемной георешеткой с определением динамического модуля упругости дорожной конструкции
- Деформационно-сдвиговые свойства в слоях щебеночно-песчаной смеси (ЩПС) марки С5 фр. 0-40 мм и армированной объемной георешеткой в металлической емкости с возможностью ограниченного бокового сдвига
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Развитие лесопромышленного комплекса России напрямую зависит от степени полноты обеспеченности лесной транспортной инфраструктурой. На данный момент лесопромышленный комплекс России характеризуется как отсутствием достаточного объема лесных дорог, так и отсутствием качественных дорожных покрытий.
Одним из основных направлений Стратегии развития лесного комплекса РФ на период до 2020 г. является интенсивное строительство дорог и обеспечение до-рожно-строительными материалами регионов заготовки древесины.
Дорожное покрытие лесных дорог подвержено значительным нагрузкам от тяжелых лесовозных автопоездов и требует прочных дорожных конструкций. При этом данная проблема приобретает особую актуальность с увеличением скоростей движения, наращиванием интенсивности перевозок, возрастанием нагрузок.
При малых запасах и большой стоимости дорожно-строительных материалов, повышение эксплуатационных свойств покрытий лесных дорог требует использования в конструктивных слоях вяжущих или армирующих материалов для укрепления дорожных одежд, обеспечивающих повышение устойчивости дорожного покрытия к нагрузкам и отвечающих современным условиям строительства.
Выполненные исследования по использованию в конструкциях дорожных одежд объемных георешеток, направленные на улучшение надежности конструкции, увеличения межремонтных периодов и повышение эксплуатационных свойств лесных дорог, являются актуальными.
Степень разработанности темы исследования. Использование геосинтетических материалов в конструктивных элементах дорог основано на теории оса-дочно-сдвиговых процессов деформирования грунтов и дорожно-строительных материалов. В работах отечественных ученых Б.А. Ильина, А.Ф. Грехова, В.М. Трибунского, Э.О. Салминена, А.Н. Шуваева, СП. Санникова, О.Н. Бурмистро-вой, СИ. Сушкова, М.В. Пановой, Е.С. Пшеничниковой, И.Ж. Хусаинова, С.А. Матвеева, Ю.В. Немировского, СВ. Красовского, А.Н. Баданина и других, отражены методики учета армирования геосинтетическими материалами дорожных конструкций. Выполненные экспериментальные исследования были направлены на определение влияния геосинтетики на деформационные процессы в грунтовых массивах, без рассмотрения влияния армирования на щебеночные материалы.
Цель диссертационной работы. Повышение эксплуатационных свойств лесных дорог созданием прочного конструктивного слоя дорожной одежды на основе щебеночного материала и объемной георешетки.
Задачи исследования:
теоретические исследования возможности повышения деформативно-сдвиговой стойкости и прочности слоев из гранитного щебня, армированных объемной георешеткой;
исследование деформативно-сдвиговых процессов в щебеночных слоях под внешней нагрузкой с определением сопротивления сдвигу;
технико-экономическое обоснование применения объемных георешеток в дорожных конструкциях лесных дорог;
- разработка рекомендаций по строительству дорожных конструкций лес
ных дорог из щебеночных материалов, армированных объемными георешетками.
Научная новизна работы:
теоретически обоснованы деформационно-сдвиговые показатели работы объемной георешеткив слоях щебеночного дорожно-строительного материала при воздействии внешней нагрузки;
обосновано взаимодействие объемной георешетки с щебеночными материалами в конструктивных слоях дорожного покрытия с образованием прочной сдвиговой и осадочной устойчивости;
получены математико-статистические модели, описывающие напряженно-сдвиговые параметры щебеночных слоев, различных по фракционному составу смесей, армированных объемной георешеткой.
Теоретическая значимость работы заключается в:
установлении деформационно-сдвиговых показателей (угла внутреннего трения, коэффициента Пуассона, внутреннего сцепления, модуля упругости) щебеночных слоев из природного камня армированных объемной георешеткой в дорожных конструкций;
развитии теории прочности относительно укрепленного щебеночного слоя дорожных конструкций объемной георешеткой;
установлении степени влияния объемных георешеток на показатели упрочнения различных фракций щебня горных пород.
Практическая значимость работы состоит:
в рекомендациях по проектированию щебеночных дорожных слоев и технологии строительства конструктивных слоев дорожных одежд с использованием объемных георешеток;
в обосновании возможности строительства дорог в лесных районах с прочными и износостойкими покрытиями из природных каменных материалов, армированных объемной георешеткой.
На защиту выносятся следующие научные положения:
теоретическое обоснование сдвиговых показателей в щебеночных слоях, армированных объемной георешеткой и учет их в расчетах на прочность;
результаты экспериментально-лабораторных исследований деформаций в щебеночных слоях дорожных конструкций, армированных объемной георешеткой;
математические модели деформационно-сдвиговых характеристик щебеночных смесей из природного камня армированных объемной георешеткой;
рекомендации, по повышению прочности и эксплуатационных свойств лесных дорог за счет армирования щебеночных слоев объемной георешеткой.
Степень достоверности исследования:
Достоверность теоретических положений и выводов доказана экспериментальными исследованиями, которые выполнены с использованием современных приборов и оборудования, в том числе, на основе современных физико-механических методов исследования, математического планирования экспери-
мента, а также достаточной сходимостью полученных теоретических и экспериментальных данных.
Апробация результатов исследования:
Основные положения работы доложены на научно-технических конференциях СПб ГЛТУ 2012 – 2016г.г., а так же международных конференциях: Достижения и перспективы естественных и технических наук: материалы VII Международной научно-практической конференции, г. Ставрополь, 2016; Международной научно-практической конференции, г. Омск, 2016 г.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Диссертационная работа соответствует специальности 05.21.01 – «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства», п.15 «Обоснование схем транспортного освоения лесосырьевых баз, поставки лесопродукции, выбора техники и способов, строительства лесовозных дорог и инженерных сооружений».
Методика и методы исследования. Основой методики исследования являются разработки отечественных и зарубежных ученых в области деформационно-сдвиговых процессов в дорожных конструкциях.
Исследования деформативности щебеночных материалов из природного камня, армированных объемной георешеткой включают определение сдвиговых и осадочных процессов под внешним давлением.
Результаты экспериментов обработаны с использованием компьютерных программ: Топоматик Robur, Microsoft Eхсеl, Statgraphics.
Личный вклад автора заключается в постановке задач исследования, разработке теоретических вопросов и экспериментальных опытов, анализе результатов выполненной работы, составлении выводов и докладах на конференциях НИР и статьях.
Публикации в 3-х работах в изданиях центральной печати, рекомендованных ВАК РФ; в 4-х статьях других изданий.
Объем и структура диссертации. Работа включает в себя: введение, шесть глав, основные выводы и рекомендации, библиографический список и 5 приложений. Работа изложена на 139 с., список литературы содержит 104 наименования, в том числе 6 на иностранном языке.
Исследования в области расчета дорожных конструкций, армированных георешеткой
Методы расчета упрочнения грунтовых слоев георешеткой. Рассмотрены исследования в области методик расчета дорожностроительных конструкций с использованием грунтов, щебеночных и других материалов, армированных георешеткой, на получение характеристик улучшения свойств слоев дорожных одежд.
Метод AASHO разработан для георешетки «Geoweb» c зернистым заполнителем, учитывающий принцип трения стенок [70] и определяющий общую толщину слоя по радиусу площадки загружения, расчетного допустимого напряжения в слоях и давления в шинах автомашин. Метод не нашел широкого применения в нашей стране.
В 1995 г. институтом ЦНИИ МО РФ [59] разработан метод расчета дорожных конструкций нежесткого типа, основанный на допустимом упругом прогибе одежды с «упрочненным слоем георешеткой». Упрочнение слоя оценивают коэффициентом, определяемый штамповыми испытаниями сравнительных слоев дорожной одежды. Еу = kу Е, (1.1) где kу – коэффициент упрочнения модуля упругости слоя; Е – модуль упругости исходного материала.
Данный метод требует значительных затрат по строительству опытных участков для каждого вида материала и типа дорожной конструкции. Метод не предусматривает теоретической зависимости оценки сдвиговых процессов воздействия расчетной нагрузки.
Согласно, нормативного документа для проектирования нежестких конструкций дорожных одежд ОДН 218.046-01 [57], расчет напряжений и деформаций дорожной одежды сводится к определению допустимого упругого прогиба и сдвигоустойчивости подстилающего грунта и малосвязных конструктивных слоев по условиям зависимости Кулона Tmах atgcp+ с, (1.2) где ттах - максимальное касательное напряжение; а - нормальное напряжение к площадке; ср - угол внутреннего трения; с - внутреннее сцепление частиц. Условие сдвигоустойчивости слоев дорожной одежды обеспечено, если нормированный коэффициент прочности пр по значению соответствует зависимости: Kпр =TдоJTакт, (1.3) где 7доп - допускаемое напряжение сдвига; Гакт - активное напряжение сдвига. Допускаемое напряжение сдвига определяют по формуле Tдоп = chk2h, (1.4) где кх - коэффициент учитывающий подвижной нагрузки ( =0,6); к2 -коэффициент учитывающий небольшую интенсивность движения автопоездов менее 50 авт/сутки (к2 = 1,23); къ - коэффициент учитывающий свойства грунта подстилающих грунтов (для песка къ = 3,0).
Предложение Шуваева А. Н., Санникова С. П. и др. [70, 94, 95, 96, 97, 98] рассматривать давление от колеса расчетного автомобиля на несколько ячеек георешетки и в центре не испытывают бокового давления и работают только на растяжение. Тогда была принята схема цилиндрической оболочки равной с ячейкой объемом и высоты с материалом, обеспечивающий такую же величину осадки как и исходный материал.
Решение такой расчетной схемы применительно к задаче плоской деформации идеально-упругого однородного и изотропного тела-цилиндра, опирающегося на жесткое идеально-гладкое основание. При этом эффект армирования (kа) определяется отношением величины осадки исходного материала dhг (м) к осадке материала и георешетки dhу (м), определяемый по формуле: ТГ ( ) (1.5) где ju - коэффициент Пуассона исходного материала; Rпр - приведенный радиус ячейки, м; Ер-модуль упругости ячейки георешетки, постоянная характеристика, МПа; S - толщина стенки (ребра) георешетки. Авторы предлагают определять эффективный модуль упругости упрочненного слоя георешеткой по формуле: Еэф=каЕ (1.6) В работе Матвеев С. А. [45, 54] проанализировал влияние геометрической сотовидной формы георешеток на физико -механические свойства заполнителя на основе теоретического метода и предлагает оценивать влияние армирования грунта на основании устанавливающейся связи между упругими постоянными конструктивно-анизотропного материала, характеристиками исходной среды и армирующей структуры, а так же геометрическими параметрами. Полученные результаты сопоставимы с экспериментальными данными исследования Санникова С. П.
По выводам исследователей Лыщик П. А., Красковского С. В. и других [39, 40, 41], предложенный метод расчета Еэф учитывает размеры ячеек георешетки, но отсутствует учет прочности исходного материала, его толщина и показатели сдвиговых процессов - угол внутреннего трения ( тр) и коэффициент внутреннего сцепления (с). Величина эффективного модуля упругости (Яэф) упрочненного слоя георешеткой получена при условии когда оболочка изготовлена из металла на жестком и неподвижном основании.
Полученные для расчета экспериментальные значения коэффициента Пуассона (ju) достаточно высокие по значениям например для водонасыщенных грунтов, что приводит к завышению эффективного модуля упругости (Еэф) упрочненного слоя георешеткой. Исследования выполнены для грунтов армированных георешеткой определили «одинаковое сопротивление сдвигу во всех направлениях» с другими значениями коэффициента внутреннего сцепления с и внутреннего трения tg гр. Авторы оценивают сопротивление сдвигу г грунта коэффициентом армирования к.
Данная теория упрочнения слоев дорожных конструкций требует расширения номенклатуры марок георешеток и видов дорожно-строительных материалов. Положительным в данном расчете является учет размера ячеек на эффект армирования.
В работах Пшеничниковой Е. С. [62, 63, 64] наиболее полно учтены особенности работы слоев дорожных одежд укрепленных георешеткой, основываясь на том, что армированный слой лежит на упругом изотропном полупространстве, георешетка работает на растяжение с действием возникающей силы трения по основанию (активной зоны).
В предложенном расчете модуля упругости «упрочненного слоя георешеткой» Еу, учитывается сила давления штампом (qш, Н), сила натяжения стенок георешетки под нагрузкой (N, Н), радиус активной зоны (R, м), упругая осадка штампа (/у, м), плотность заполнителя (уз, н/м3), высота решетки (hр, м), угол внутреннего трения грунта ( гр, град), сцепление грунта (С, МПа) по формуле
Теоретическое обоснование деформационно-сдвиговых показателей работы объемной георешетки в щебеночных слоях
Исследования сопротивления сдвигу от величины нормального давления (сжимающих напряжений) в щебеночных слоях возможны на основе кривых сопротивления сдвигу при различных нормальных давлениях, согласно закона Кулона [87]. Сопротивление сдвигу сыпучих материалов подобно щебеночным фракциям представляют графически в виде прямой под углом ср к оси нормальных давлений егн с величиной предельного сдвигающего напряжения гпред определяемое по зависимости ед =oн tg(p. (2.1) При этом считается, что сопротивление сыпучих материалов - это сопротивление их трению с углом внутреннего трения (р прямо пропорционально нормальному давлению p и является законом Кулона.
В процессе сжатия слоя сыпучего материала возникает «суммарная величина сцепления c» [43], которая состоит из структурного жесткого сцепления, необратимое при разрушении и пластического сцепления. Величина параметра сцепления c определяется по зависимости c = tg ppе , (2.2) где pе - некоторое всестороннее давление, так называемое давление связности, суммарно заменяющее действие всех сил сцепления, используемое в задачах теории предельного равновесия грунтов.
В процессе испытания щебеночных материалов разной фракционности кривые предельных напряжений при сдвиге сыпучих материалов можно рассматривать с позиции теории прочности Мора (рисунок 2.4), так как величина сдвигающих напряжений меньше их предельных значений по зависимости (2.1). Рисунок 2.4 – Кривая предельных сопротивлений сдвигу щебеночных фракций
Положение точек кривых предельного напряжения 1 и 2 получают по результатам испытаний на сдвиг щебеночных фракций. Угол внутреннего трения материала фракций определяем по зависимости: (2.3) где 1 – наибольшее значение главных напряжений; 2 – наименьшие значение главных напряжений.
Вышеприведенное выражение описывает условие предельного равновесия сыпучих материалов на основе теории прочности Мора и может быть использовано в расчетах учета сдвиговых проверок конструкций дорожных одежд на основе инструкции ОДН 218.046-01.
При исследованиях на сдвиг, предельные сопротивления в большом диапазоне сжимающих давлений и напряженных состояниях (растяжение, сдвиг, сжатие), описывают огибающей кругов предельных напряжений, которая близка к криволинейной зависимости (рисунок 2.5).
При изменениях давлений до предельного сжатия av 0,7 МПа [87] часть огибающей кривой предельных напряжений (отрезок аЪ на рисунке 3) является прямолинейной, то есть для давлений меньших а9 будет полностью справедлив закон Кулона-Мора и при этом угол внутреннего трения ср материала фракций определяют по зависимости: (2.4) где о1 - наибольшее значение главных напряжений; ег2 - наименьшее значение главных напряжений; с - внутреннее сцепление. В процессе испытания щебеночных материалов разной фракционности с внедрением в их структуру материалов, сдерживающих поперечное перемещение частиц, условие предельного равновесия при сдвиге (гпред) можно рассматривать с позиции теории прочности Кулона-Мора и соответствовать уравнению: (2.5) где егн - нормальные давления.
Процессы происходящие в массиве дорожных одежд, при действии нагрузки от колеса расчетного автомобиля напрямую зависят от величины вертикальных и горизонтальных давлений и передаче их на грунтовое основание в пониженном виде [32, 77, 79]. При этом возникает необходимость учета параметров сжимаемости материала при малых величинах деформаций, кроме того учитывать одновременно сопротивление сдвигу и внутреннее сцепление материала в слоях.
Модель щебеночного слоя с георешеткой характеризуется следующими механическими параметрами, которые получают в процессе эксперимента: - угол внутреннего трения ((р, град); - коэффициент внутреннего сцепления (с, Н/см2); - сопротивление сдвигу в горизонтальной плоскости (тсдвиг, Н/см2); - удельное давление на грунт (рверт, Н/см2). Влияние георешетки на деформационные свойства щебеночных слоев с известными физико-механическими свойствами возможно определить используя методы строительной механики.
Сложность структуры щебеночных материалов прочных горных пород и ее изменения в процессе внешнего нагружения определяют выбор метода и модели, которые позволяют учесть необходимые параметры и их значение.
Модель испытания щебеночного слоя с георешеткой учитывает действие расчетной нагрузки относительно длительное время, обусловленное небольшой скоростью движения лесовозных автопоездов, соответственно процессы развития вертикальных и горизонтальных деформаций при их малых значениях не превышающих критического состояния, то есть разрушения дорожной конструкции.
Расчетная модель щебеночного слоя с георешеткой должна учитывать все процессы деформаций, которые по Н.Я. Денисову [21] делятся на: - упруго-пластичные деформации зерен щебня; – упругие структурные деформации перемещения щебенок относительно друг друга и уменьшение объема материала; – структурно-адсорбционные деформации в тонкозернистой части материала, результат изменения толщины водных пленок в контактах мелких частиц.
В данном случае по Н.А. Цытовичу [87] процессы напряженного состояния в щебеночном слое с георешеткой под действием вертикальной нагрузки можно характеризовать как появление упругих и пластических деформаций, последние из которых это структурные и псевдопластичные.
Деформационные процессы в дорожных конструкциях, рассмотренные И. И. Черкасовым [88] при вдавливании круглого жесткого штампа на поверхности покрытия являются основанием для расчетной механической модели с определением ее параметров.
Исследование зависимости влияния вводимой георешетки в щебеночный слой с использованием расчетной механической модели основано на принятии конструкции – как линейно-деформируемое однородное полупространство с развитием упругих и остаточных деформаций, связанных линейно с нагрузкой на жесткий штамп. Модель характеризуется следующими параметрами: – упругой деформацией (Z1 – Z2) и модулем упругости (Еупр); – полной деформацией (Z1) и модулем общей деформации (Еобщ); – коэффициентом Пуассона (); – коэффициентом поперечной деформации (о) Параметры модели приведены на рисунке 2.6, рисунке 2.7 и рисунке 2.8.
Методика испытание в дорожном канале щебеночных материалов армированных объемной георешеткой с определением динамического модуля упругости дорожной конструкции
Цель испытания - определение степени воздействия объемной георешетки в щебеночных смесях конструктивных слоев дорожных одежд нежесткого типа на устойчивость и сопротивляемость динамическим нагрузкам от проходящих лесовозных автопоездов.
Задачами исследования является определение динамического модуля упругости дорожных конструкций из гранитных прочных пород щебеночных смесей армированных объемной георешеткой в сравнении с неармированными слоями.
Теоретическим обоснованием расчета дорожных конструкций нежесткого типа является метод допустимого упругого прогиба на сплошном упругом полупространстве под расчетной нагрузкой от автопоезда типа АК-10 по методике ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд». Эксперимент проведен в дорожно-испытательном канале лаборатории кафедры Промышленного транспорта СПбГЛТУ имени С. М. Кирова Исследование выполнено на экспериментальной площадке 1 м2 дорожных конструкций. Исходные материалы и приборы эксперимента: - гранитная щебеночная смесь фр. 0-40 мм, класс прочности 1100 МПа; - объемная георешетка Геоспан ОР 30/5; - виброплита Сплитстоун VS-246 Е20; - прибором для измерения динамического модуля упругости ZFG-3000. Конструкции дорожных одежд: 1-ая - слой покрытия из щебеночной смеси С5 толщиной 20 см на слои грунтового основания - супесь легкая при относительной влажности 0,75 (рисунок 3.3, а); 2-ая - слой покрытия из щебеночной смеси С5 толщиной 15 см, слой щебеночной смеси С5 армированный объемной георешеткой Геоспан ОР 30/5 толщиной 5 см на слои грунтового основания - супесь легкая при относительной влажности 0,75 (рисунок 3.3, б).
Схемы конструкций дорожных одежд для динамических испытаний на прочность щебеночных материалов с объемной георешеткой в дорожно-испытательном канале: а) конструкция из щебеночной гранитной смеси марки С5 фр. 0-40 мм; б) конструкция из щебеночной гранитной смеси марки С5 фр. 0-40 мм, армированной георешеткой Исследуемая щебеночная смесь С5 сформирована по гранулометрическому составу из гранитного щебня различных фракций в соответствии с ГОСТ 25607-2009 «Смеси щебеночно-гравийно-песчаные для покрытий и оснований автомобильных дорог и аэродромов» и представлена на рисунке 3.4. Размер частиц щебня D, мм — граница зоны оптимального зернового состава щебеночной смеси С5; х зерновой состав исследуемой щебеночной смеси
Объемная георешетка Геоспан ОР 30/5 имеет диагонали ячейки размером 21х21 см и высотой 5 см, стенки имеют шероховатую поверхность без перфорирования.
Дорожные конструкции созданы методом послойного уплотнения каждой из толщин 5 см виброплитой Сплитстоун VS-246 Е20 [19]. Крепление и растягивание до рабочих размеров объемной георешетки на основание осуществлялось с использованием анкеров (деревянных кольев высотой 20 см) по периметру площадки.
Оценка прочности и плотности испытываемого щебеночного слоя производились прибором для измерения динамического модуля упругости ZFG 44 3000. В приборе ZFG-3000 реализован метод штампа, имитирующий проезд автомобиля по дорожному покрытию.
Динамический модуль упругости вычисляется по максимальной скорости и максимальному отклонению плиты при падении груза определенной массы с фиксированной высоты. Прибор представлен на рисунке 3.5. Измерения выводятся на дисплей прибора, с возможностью последующей их распечатки. Данный пробор прост в использовании и оптимально подходит для проведения измерений на площадках небольшого размера. Время одного измерения составляет 2-3 минуты.
Прибор динамического метода определения модулей деформации и упругости дорожных одежд марки ZFG-3000: 1 – жесткий штамп d = 30 см; 2 – комплект стальных пружин; 3 – падающий груз 10 кг; 4 – направляющий стержень; 5 – верхний механизм фиксирования груза Окончательный показатель динамического модуля упругости дорожной конструкции получен с помощью прибора ZFG-3000, как среднее трех измерений в точке на каждом конструктивном слое и в трех – пяти точках площадки дорожной конструкции стенда.
Задачей исследования является определение статических модулей упругости щебеночных смесей с изменением глубины заложения объемной георешетки при штамповых методах испытания.
Эксперимент выполнен в дорожно-испытательном канале кафедры Промышленного транспорта леса Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета имени С.М. Кирова, где была создана площадка многослойной дорожной конструкции размером 1,5х1,5 м. На супесчаном земляном полотне уложено основание дорожной конструкции из среднезернистого песка толщиной слоя 45 см. Слой покрытия устроен из гранитной щебеночно-песчаной смеси (ЩПС) марки С5 фр. 0–40 мм по зерновому составу ГОСТ 25607-2009 с толщиной 18 см.
Армирование щебеночного покрытия выполнено георешеткой Геоспан ОР 20/5 и Геоспан ОР 20/10 с высотой ячеек соответственно 5 см и 10 см. Армирование ЩПС марки С5 георешеткой марки Геоспан ОР 20/05 с высотой ячейки 5 см, выполнено при 3-х вариантах конструкции: I вариант – георешетку располагали в нижней части слоя ЩПС, то есть на поверхности песчаного слоя; II вариант – георешетку располагали в средней части слоя ЩПС; III вариант – георешетку располагали в верхней части ЩПС слоя покрытия. При армировании слоя ЩПС марки С5 фр.0-40 мм георешеткой марки Геоспан ОР 20/10 с высотой ячейки 10 см, выполнено два варианта конструкций: I вариант – георешетка расположена на поверхности подстилающего слоя из среднезернистого песка; II вариант – георешетка расположена в верхней части слоя ЩПС. При расположении решетки в верхней части щебеночного слоя укладывался защитный (истирания) слой из ЩПС толщиной 1 см.
Уплотнение слоев опытной площадки произведено послойно с применением вибротрамбовочной плиты при одинаковой степени воздействии на все испытуемые дорожные конструкции.
Определение упругой и остаточной деформаций дорожных конструкций выполнено с использованием рычажного прогибомера МАДИ-ЦНИИЛ марки П-122 с индикатором часового типа. Нагрузку на штамп создавали гидравлическим домкратом в распор упорной балки (рисунок 4.31).
Снятие показаний выполняли при давлении на штамп 0,2; 0,4; 0,6 МПа. Величина деформаций конструкции под жестким металлическим штампом D = 30 см определены на поверхности щебеночного слоя армированных и не армированной конструкций, а так же на песчаном слое основания дорожной конструкции.
Деформационно-сдвиговые свойства в слоях щебеночно-песчаной смеси (ЩПС) марки С5 фр. 0-40 мм и армированной объемной георешеткой в металлической емкости с возможностью ограниченного бокового сдвига
Испытания выполнены на щебне фракции 20-40 мм гранитной горной породы марки 1200 класса 1 и армированного его объемной георешеткой с высотой ребра 5 см.
Результаты испытания по определению угла внутреннего трения (, град) слоев щебня фр. 20-40 мм и армированного его объемной георешеткой в виде данных представлены в таблице 4.10 и графиков на рисунке 4.14.
Зависимость угла внутреннего трения материала О, град) слоев из щебня фр. 20-40 мм и армированного его георешеткой от удельного давления на штамп (р, Н/см2) Анализ графиков на рисунка 4.14 влияния армирования слоя щебня фр. 20-40 мм георешеткой на угол внутреннего трения (ср, град) показывает, что при всех вертикальных нагрузках на штамп достигнут положительный эффект. По абсолютному значению угол внутреннего трения ( р, град) возрастает максимально на 4 3605", то есть на 80.9%.
Полученные аппроксимацией полиномиальные регрессионные уравнения позволяют получить необходимые показатели с отклонением от экспериментальных с высокой степенью достоверности (среднеквадратическое отклонение 1).
Зависимость сопротивления сдвигу (г, Н/см2) в горизонтальной плоскости слоев щебня фр. 20-40 мм и армированного его георешеткой от вертикальной нагрузки на жесткий штамп D = 34,5 см в виде данных представлены в таблице 4.11 и графике на рисунке 4.15. Таблица 4.11 – Сопротивление сдвигу (, Н/см2) в горизонтальной плоскости в слоях щебня фр. 20 -40 мм и армированного его георешеткой
Зависимость сопротивления сдвигу (, Н/см2) в горизонтальной плоскости материала слоев из щебня фр. 20-40 мм и армированного его георешеткой от удельного давления на штамп (р, Н/см2) Анализ графиков на рисунка 4.15, о влияние армирования слоя щебня фр. 20-40 мм георешеткой на сопротивление сдвигу (, Н/см2) показывает, что при всех вертикальных нагрузках на штамп достигнут положительный эффект.
По абсолютному и относительному значению сопротивление сдвигу (, Н/см2) возрастает максимально на I-ом этапе – 0,37 Н/см2 (52,9%), на II-ом этапа – 1,17 Н/см2 (81,8%) и на III-ем этапе – 0,66 Н/см2 (14,9%). Полученные аппроксимацией полиномиальные регрессионные уравнения позволяют получить необходимые показатели с отклонением от экспериментальных с высокой степенью достоверности (среднеквадратическое отклонение 1).
Испытания по определению полной осадки (Z, мм) в слоях из щебня фр. 20-40 мм и армированного его георешеткой в виде данных представлены в таблице 4.12 и графиками на рисунок 4.16
Зависимость осадки (Z, мм) в слоях из щебня фр. 20-40 мм и армированного его георешеткой от удельного давления на штамп (р, Н/см2) Анализ влияния армирования слоя щебня фр. 20-40 мм георешеткой на осадку (Z, мм) показывает (рисунок 4.16), что при всех значениях вертикальных нагрузках на штамп достигнут положительный эффект. По абсолютному значению при армировании слоя полная осадка (Z, мм) снижается максимально от нагрузки I-го этапа на 0,35 мм (14,6%), II-го этапа на 0,2 мм (5,5%) и на III-ем этапе на 0,07 мм (1,7%).
Полученные аппроксимацией полиномиальные регрессионные уравнения позволяют получить необходимые показатели с отклонением от экспериментальных с высокой степенью достоверности (среднеквадратическое отклонение 1). Результаты испытаний на сопротивление сдвигу (, Н/см2) в горизонтальной плоскости в слое щебня фр. 20-40мм с измерениями при повторном нагружении 1 и 2 приведены на рисунке 4.17 и таблице 4.13.
Зависимость сопротивления сдвигу (, Н/см2) в слое из щебень фр. 20-40 мм от удельного давления на штамп (р, Н/см2) при повторных нагружениях
Анализ графиков рисунка 4.17 сопротивления на сдвиг в слое щебня фр. 20-40 мм от вертикальной нагрузки на жесткий штамп показывает, что суммарное значение при испытании составило I-ый этап – 1,18 Н/см2, II-ой этап – 3,12 Н/см2, III-ий этап – 9,48 Н/см2.
Полученные аппроксимацией полиномиальные регрессионные уравнения позволяют получить необходимые показатели с отклонением от опытных с высокой степенью достоверности (среднеквадратическое отклонение 1).
Результаты испытаний на сопротивление сдвигу (, н/см2) в горизонтальной плоскости в слое щебня фр. 20-40 мм армированного объемной георешеткой с измерениями при повторном нагружении 1 и 2 приведены на рисунке 4.18 и таблице 4.14. Таблица 4.14 – Сопротивление сдвигу (, Н/см2) слоя щебня фр. 20-40 мм армированного объемной георешеткой при повторных нагружениях
Материал слоев Удельное давление на штамп (р, Н/см2) 5,23 9,95 15,34 Сопротивление сдвигу (, Н/см2) слоев щебень фр. 20-40 мм + георешетка 1,07 2,60 5,08 повторное 1-е нагружение 0,18 0,83 1,73 повторное 2-е нагружение 0,15 0,55 1,60 f К- І -Ф- щебнь фр. 20-40мм + георешетка повторное 1-е нагружение А повторное 2-е нагружение г= 0,0267х2 - 0,2139х + 2,0896 R2 = l Гі = 0,0029х2 + 0,0938х- 0,3896 R2 = l г2 = 0,0109х2 - 0,0805х + 0,2733 R2 = l 5 10 15 Удельное давление (р, Н/см2) Рисунок 4.18 – Зависимость сопротивления сдвигу (, Н/см2) в горизонтальной плоскости слоя из щебня фр. 20-40 мм армированного георешеткой от удельного давления на штамп (р, Н/см2) при повторных нагружениях Анализ графиков рисунка 4.18 сопротивления на сдвиг в слое щебня фр. 20-40 мм армированного георешеткой от вертикальной нагрузки на жесткий штамп показывает, что суммарное значение при испытании составило I-ый этап –1,40 Н/см2, II-ой этап – 3,98 Н/см2, III-ий этап – 8,41 Н/см2.
Полученные аппроксимацией полиномиальные регрессионные уравнения позволяют получить необходимые показатели с отклонением от экспериментальных с высокой степенью достоверности (среднеквадратическое отклонение 1).