Содержание к диссертации
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 7
Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ОБ АРМИРОВАННЫХ МНОГОСЛОЙНЫХ СИСТЕМАХ И СВОЙСТВАХ АРМИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ (НА ПРИМЕРЕ ДОРОЖНЫХ
КОНСТРУКЦИЙ)
1.1 Геосинтетические материалы в дорожных конструкциях 19
1.2 Элементы дорожных конструкций и виды их армирования...
1.2.1 Армирование земляного полотна 29
1.2.2 Армирование откосов и подпорных стенок 31
1.2.3 Армирование слоев дорожных одежд 33
1.3 Армирование грунтов объемными георешетками 37
1.3.1 Характеристики георешеток 37
1.3.2 Методы расчета и результаты испытаний несущих конструкций с применением объёмных георешеток 43
1.4 Армирование грунтов плоскими георешетками и геосетками 55
1.4.1 Свойства плоских георешеток и геосеток, применяемых
для армирования дорожных конструкций 55
1.4.2 Методы расчета и результаты испытаний армированных
конструкций с применением плоских георешеток и геосеток 74
1.5 Экспериментальное исследование упругих постоянных
материала объёмной георешетки Geoweb 81
1.6 Результаты и выводы по 1 главе 88
Глава 2
РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ДЕФОРМИРОВАНИЯ УПРУГОГО СЛОЯ, АРМИРОВАННОГО ОБЪЁМНЫМИ И ПЛОСКИМИ ГЕОРЕШЕТКАМИ ИЛИ ГЕОСЕТКАМИ 90
2.1 Построение расчетной модели грунта, армированного объемной георешеткой 90
2.1.1 Общая схема построения расчетной модели 90
2.1.2 Преобразование составляющих деформаций к новым осям 94
2.1.3 Модель грунта, армированного объёмной георешеткой... 97
2.2 Влияние структуры армирования на физико-механические свойства композита «грунт - георешетка» 111
2.2.1 Геометрические параметры армирующей структуры... 111
2.2.2 Модели деформирования армированного упругого слоя 116
2.2.3 Анализ результатов численного решения 1
2.3 Расчетная модель грунта, армированного объемной георешеткой Geoweb 131
2.4 Модель упругого слоя, армированного плоской георешеткой или геосеткой 138
2.5 Опытное исследование свойств оснований дорожных одежд, армированных геосинтетическими материалами 144
2.5.1 Цель исследований и виды испытаний 144
2.5.2 Виды и методики испытаний 145
2.5.3 Результаты испытаний 152
2.5.4 Результаты оценки состояния дорожных одежд и общие выводы 157
2.6 Результаты и выводы по 2 главе 163
Глава 3
ТЕОРИЯ ИЗГИБА МНОГОСЛОЙНЫХ ПЛИТ С РЕШЕТЧАТЫМ АРМИРОВАНИЕМ НА УПРУГОМ ОСНОВАНИИ 165
3.1 Расчетная модель многослойной конструкции, армированной геосинтетическими материалами, в виде полиармированной плиты 165
3.1.1 Основные геометрические, физические и статические соотношения 165
3.1.2 Энергия упругой деформации многослойной плиты... 176
3.1.3 Вывод дифференциального уравнения изгиба полиармированной плиты 1
3.2 Решение дифференциального уравнения изгиба полиармированной плиты без учета сил трения 184
3.3 Изгиб полиармированной плиты с учетом сил трения 192
3.4 Расчет многослойной плиты, армированной плоскими георешетками 197
3.5 Напряжения в полиармированной плите 202
3.6 Результаты и выводы по 3 главе 219
Глава 4
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИ ОБОБЩЕННОГО ПЛОСКОГО НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ ДЛЯ РАСЧЕТА МНОГОСЛОЙНОЙ КОНСТРУКЦИИ, АРМИРОВАННОЙ
ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ 220
4.1 Основные соотношения для многослойной конструкции переменной ширины 220
4.2 Решение уравнений совместности для многослойной конструкции постоянной ширины 229
4.3 Граничные условия и условия сопряжения слоев 2
4.3.1 Ортотропный материал 234
4.3.2 Изотропный материал 245
4.3.3 Условия сопряжения слоев из ортотропного и изотропного материалов 250
4.4 Расчет однослойной конструкции 254
4.4.1 Ортотропный материал 254
4.4.2 Изотропный материал 258
4.5 Расчет двухслойной конструкции 2
Введение к работе
Армирование элементов конструкций и грунтов основания геосинтетическими материалами применяется в строительстве более 30 лет. Главные потребители армирующих материалов - дорожная и железнодорожная отрасли, гражданское и гидротехническое строительство, строительство аэродромов. В дорожном строительстве широкое распространение получили геотекстили, геосетки, плоские и объемные георешетки, а также их различные комбинации - геокомпозиты. Данные материалы используются для армирования дорожных конструкций, усиления и армирования грунтов земляного полотна и оснований дорожных одежд, при устройстве подпорных стенок, для предотвращения оползней и реконструкции склонов, при укреплении откосов и проведении противоэрозионных мероприятий, а также для обеспечения дренажа. В последние годы созданы новые материалы и технологии на их основе для экологической защиты территории (в том числе для строительства полигонов с целью размещения твердых бытовых отходов).
Применение геосинтетики при проектировании, строительстве, реконструкции, ремонте и эксплуатации автомобильных дорог, а также других транспортных коммуникаций позволяет компенсировать недостатки свойств грунтов [71, 271] и дорожно-строительных материалов, повысить их физические и механические свойства, а в некоторых случаях - превратить в совершенно новые типы материалов.
Большой вклад в развитие данного направления научных исследований внесли Ю.А. Аливер, К. Батероу, В.Д. Казарновский, А.И. Ким, Е.И. Кондаков, В.А. Кретов, Ю.М. Львович, А.Е. Мерзликин, Ю.Р. Перков, А.П. Фомин, Е.В. Щербина, В.М. Юмашев, R.J. Bathurst, R. Floss, R.M. Koemer, D.F. Senf, S.K. Shukla, S.L. Webster. Отечественный и зарубежный опыт применения геосинтетических материалов в дорожном строительстве нашел наиболее полное отражение в монографиях [237, 305], трудах Союздорнии [153, 214-216, 236], обзорной информации [68, 70, 79, 90, 105, 154, 183-186, 205, 279, 280,323], статьях [2, 6, 7, 11, 15, 17, 21, 22, 24-27, 41, 42, 61, 63, 69, 72-83, 85, 91, 93, 94, 96, 97, 101, 103-104, 109, ПО, 118-124, 139-146, 151, 152, 163-167, 175, 177, 192-198, 204-211, 220-223, 227, 232, 233, 238, 248-250, 252-255, 260-263, 265, 267, 268, 272-281, 289, 294, 295, 322, 324], информационных материалах [28, 29]. Различные варианты классификации геосинтетических материалов содержатся в работах [5,16,105,171,185,275,296].
Армирование грунтов объемными георешетками все шире внедряется в практику дорожного строительства [1,12, 81, 82, 119,166,222,223,299,300]. Известны работы по экспериментальному определению свойств грунта, армированного объемными георешетками [121, 209, 210, 325, 327-331] и решетчатыми плитами [136, 150]. Создаются методики по проектированию грунтовых насыпей, армированных такими георешетками [169,170].
Несмотря на острейшую необходимость в инструктивных документах по использованию геосинтетических материалов в строительстве, нормативная база этой отрасли еще только формируется. Немногочисленные стандарты, инструкции и указания имеют преимущественно зарубежное происхождение, что явно прослеживается из приведенного списка [67, 171, 217, 283, 288]. В дорожном строительстве сложилась парадоксальная ситуация: поток геосинтетических материалов нарастает лавинообразно при почти полном отсутствии нормативной базы по их применению. Так, "проектировщику-дорожнику, разрабатывающему проектные решения по земляному полотну, дорожным одеждам и т.п., в настоящее время руководствоваться в части возможного применения геосинтетических материалов практически нечем. Это означает, что принципы применения, а следовательно, и проектирования, которые должны соответствовать современным тенденциям в данном направлении, к сожалению, отсутствуют" [102,107].
Проблема формирования нормативной базы для проектирования дорожных конструкций, армированных геосинтетическими материалами, наряду с эмпирической имеет большую долю теоретической составляющей. Последняя проявляется в отсутствии системного подхода к разработке моделей деформирования и расчета слоистых конструкций, армированных геосинтетическими материалами.
Для решения данной проблемы в диссертации рассматривается более широкий класс конструкций, поскольку в качестве армирующих структур зачастую выступают не только геосетки и георешетки, но и различного рода решетчатые или ячеистые плиты. Теоретические основы расчета таких конструкций базируются на методах расчета плит на упругом основании и изгибаемых слоистых систем (С. А. Амбарцумян, Н.А. Ал футов, В.В. Болотин, В.З. Власов, М.И. Горбунов-Посадов, Э.И. Григолюк, П.А. Зиновьев, В.А. Киселев, 3. Кончковский, Б.Г. Коренев, А.Н. Крылов, Н.Н. Леонтьев, С.Г. Лехницкий, Ю.В. Немировский, Ю.Н. Новичков, В.В. Пикуль, В.Г. Пискунов, Б.Г. Попов, А.О. Рассказов, СП. Тимошенко), методе конечных элементов (П.М. Варвак, Р. Галлагер, О. Зенкевич, И.Ф. Образцов, В.А. Постнов, Л. А. Розин, Н.Н. Шапошников и др.).
Большой вклад в развитие теории расчета дорожных и аэродромных одежд внесли В.Ф. Бабков, Г.И. Глушков, Л.И. Горецкий, Н.Н. Иванов, В.П. Матуа, И.А. Медников, В.М. Могилевич, А.В. Смирнов, А.П. Степушин, Б.Б. Телтаев, А.Н. Шуваев.
Проблеме моделирования и расчета многослойных конструкций на упругом основании посвящена обширная литература. Так, расчет плит на упругом основании содержится в работах [30, 114, 138, 156-160, 230], а различные модели деформирования плит и оболочек - в монографиях и статьях [59, 98, 111, 116, 126, 127, 161, 202, 257]. Модели деформирования и расчета слоистых систем описаны авторами работ [20, 23, 199-201, 203, 219, 224,225].
Многообразие и сложность исследуемых конструкций и моделей их деформирования порождает потребность в применении численных методов расчета. Одним из наиболее развитых и эффективных на сегодняшний день является метод конечных элементов [64, 65]. Он с успехом применяется не только для расчета стержневых и пластинчатых конструкций и плит [117, 133,212], но и при решении задач трехмерной теории упругости [112,113].
Среди основных факторов, оказывающих влияние на работу дорожных конструкций, являются температурные воздействия. Их роль настолько велика, что заслуживает отдельного исследования. Здесь же ограничимся упоминанием весьма ограниченного числа работ, прямо или косвенно касающихся данной проблемы. В частности, описанию теории температурных полей и температурных напряжений посвящены монографии и статьи [19, 62, 39, 84, 135]. Исследованию температурного режима дорожных и аэродромных конструкций посвящены многочисленные исследования Л.И. Горецкого, В.Н. Шестакова и др.
В строительстве, машиностроении и других отраслях широко применяются композитные, а также синтетические анизотропные материалы [13, 58, 86, 173]. Расчету многослойных пластин и оболочек из композитных материалов посвящены монографии [8, 57].
Общий недостаток существующих подходов - попытка привлечения традиционных методик расчета конструкций со сплошными, однородными, изотропными слоями для расчета армированных конструкций, являющихся по существу конструктивно анизотропными. Армированный геосинтетическими материалами грунт представляет собой новый композитный конструктивно-анизотропный материал, обладающий управляемой анизотропией, которая зависит от свойств как грунта, так и армирующей структуры. Данное направление, основанное на структурном подходе, получило развитие в работах [10, 48, 118, 122, 124, 139-146, 151, 152,178-182, 312] и в предлагаемой диссертации.
Из вышеизложенного следует обоснование актуальности темы диссертации, цели и задач исследования.
Актуальность. Строительная практика имеет более чем 30-летний опыт использования геосинтетических материалов для армирования элементов конструкций и грунтов основания. Применение объемных и плоских георешеток и геосеток при проектировании, строительстве, реконструкции, ремонте и эксплуатации автомобильных дорог, а также других транспортных коммуникаций позволяет компенсировать недостатки свойств грунтов и дорожно-строительных материалов, повысить их физические и механические свойства, а в некоторых случаях - превратить в совершенно новые типы материалов.
В дорожном строительстве сложилась парадоксальная ситуация: поток геосинтетических материалов нарастает лавинообразно при почти полном отсутствии нормативной базы по их применению. Проблема формирования нормативной базы для проектирования дорожных конструкций, армированных геосинтетическими материалами, наряду с эмпирической имеет большую долю теоретической составляющей. Последняя проявляется в отсутствии системного подхода к разработке моделей деформирования и расчета слоистых конструкций, армированных геосинтетическими материалами, отсутствии математических моделей деформирования многослойных плит на упругом основании, армированных объёмными и плоскими георешетками, а также в необходимости создания теории расчета подобных конструкций, используемых в дорожном строительстве.
Изложенное является подтверждением того, что проблема создания математических моделей и теории расчета многослойных плит, армированных геосинтетическими материалами, актуальна.
Целью диссертации является разработка математических моделей и методов расчета многослойных дорожных конструкций, армированных геосинтетическими материалами, а также исследование закономерностей деформирования армированных многослойных плит на упругом основании при воздействии статической нагрузки и температуры. Задачи исследования:
1. Разработать модели деформирования упругого слоя, армированного объёмной и плоской георешетками.
2. Исследовать влияние структуры армирования на физико-механические характеристики армированного композитного слоя.
3. Разработать теорию продольно-поперечного изгиба полиармированной плиты.
4. Разработать методы расчета напряженно-деформированного состояния многослойных дорожных конструкций на упругом основании.
5. Разработать методики проведения экспериментов по исследованию закономерностей деформирования геосинтетических материалов и по проверке выводов, следующих из расчетных методик, описывающих поведение слоистых дорожных конструкций, армированных геосинтетическими материалами.
6. Разработать модели деформирования и методы расчета многослойной дорожной конструкции с решетчатой плитой в основании.
7. Разработать практические рекомендации по созданию эффективных дорожных конструкций, армированных геосинтетическими материалами.
Объектом исследования является линейная и нелинейная механика конструкций и сооружений, физико-математические модели их расчета. Предмет исследования - методы расчета дорожных конструкций и их элементов, напряженно-деформированное состояние дорожных конструкций при воздействии статических потенциальных и массовых сил.
Методологическая база исследования базируется на методах теории упругости и строительной механики, численных методах. Экспериментальные исследования выполнены в соответствии с теорией эксперимента и методикой, изложенной в соответствующих нормативных документах, а обработка их результатов - с помощью методов математической статистики.
Достоверность научных положений, теоретических решений и полученных результатов подтверждается соблюдением основных принципов математического и физического моделирования, соответствием результатов расчетов экспериментальным данным.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
1 Разработаны модели деформирования упругого слоя, армированного объёмной и плоской георешетками, впервые позволяющие аналитическим путем определять упругие постоянные и коэффициенты линейного температурного расширения композитного материала армированного слоя.
2 Установлено, что наибольшего эффекта удается достичь при армировании грунта объёмной георешеткой с прямоугольным очертанием характерной ячейки. При соотношении модулей упругости грунта и георешетки 1 : 10 армирование приводит к увеличению модулей упругости грунта в продольном (х) и поперечном (у) направлениях на 13,4 %, в вертикальном направлении (z) - на 31,8 %, модулей сдвига в вертикальных плоскостях (xz) и (yz) - на 18,9 % и к снижению модуля сдвига в горизонтальной плоскости (ху). Высота стенки георешетки не влияет на физико-механические характеристики композита «грунт-георешетка».
3 Разработаны принципы конструирования новых объемных георешеток с разными геометрическими формами характерных ячеек, обеспечивающими получение армированного слоя с заранее заданными свойствами.
4 Разработана теория продольно-поперечного изгиба полиармированной плиты на упругом основании, включающая вывод дифференциального уравнения изгиба плиты с учетом и без учета сил трения между плитой и основанием. Коэффициенты дифференциального уравнения получены с учетом количества слоев в плите, их толщины, структуры армирования, расположения армированных слоев в конструкции. Установлено, что влияние сил трения на прогибы плиты несущественно, поэтому в практических расчетах им можно пренебречь.
5 Разработан метод расчета в напряжениях для многослойной конструкции постоянной и переменной ширины с использованием модели плоской задачи теории упругости и привлечением рядов Фурье.
6 Разработан метод расчета, базирующийся на конечно-элементном подходе с использованием объемных и пластинчатых конечных элементов. Установлено, что наибольший эффект от армирования основания объемной георешеткой достигается на грунтах с низкими модулями упругости.
7 Разработаны модели деформирования многослойной конструкции с решетчатой плитой в основании, включая модель приведенных жесткостей, модель перекрестных балок на упругом основании, модель с использованием объёмных конечных элементов. Установлено, что расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями прогибов по первой модели не превышает 8,5 %, по второй модели - 10-12 %, по третьей модели -6%.
Теоретическая значимость диссертации заключается в формировании системного подхода к разработке моделей деформирования и расчета слоистых конструкций, армированных геосинтетическими материалами.
Практическая ценность работы определяется следующими положениями.
1 Полученные в диссертации расчетные модели деформирования упругого слоя, армированного объемными и плоскими георешетками, позволяют аналитически определять упругие постоянные и коэффициенты линейного температурного расширения композитного материала армированного слоя. Они обладают относительно простой математической формой записи, свойственной матричной формулировке задачи. Все вычислительные операции по данным формулам сводятся к элементарным действиям над матрицами. Поэтому данная методика может быть рекомендована проектным организациям и различным строительным фирмам.
2 Механизм формирования новых объемных георешеток с разными геометрическими формами характерных ячеек, обеспечивающими получение армированного слоя с заранее заданными свойствами, может быть рекомендован научно-исследовательским, проектным, строительным организациям, а также фирмам-изготовителям георешеток. 3 Методы расчета напряженно-деформированного состояния многослойных полиармированных плит на упругом основании на действие статической нагрузки и температуры дают возможность проектировщику оценить влияние армирования на напряженно-деформированное состояние как всей конструкции в целом, так и ее отдельных частей - слоев и армирующих элементов. В результате применения предлагаемых методик расчета может быть выбрано наилучшее сочетание армирующих структур и их взаимное расположение в конструкции. 4 В ходе научного сопровождения строительства опытных участков автомобильной дороги выполнена экспериментальная проверка в натурных условиях свойств оснований дорожных одежд, армированных объемными георешетками. В процессе испытания экспериментальных дорожных конструкций доказано, что наибольший эффект от армирования основания получен при использовании в качестве заполнителя ячеек объёмной георешетки мелкозернистого материала - песка. Использование же в качестве заполнителя крупнозернистого материала (крупного щебня) приводит к снижению деформативных свойств основания, а потому для строительства оснований дорожных одежд нецелесообразно. Данные результаты могут быть рекомендованы проектным организациям, а также различным строительным фирмам и дорожностроительным организациям.
Реализация результатов исследований. Построены опытные участки дорожной одежды на автомобильной дороге Ханты-Мансийск - Нягань со слоями, армированными объемными георешетками, в соответствии с рекомендациями, сделанными по результатам исследований. На защиту выносятся
1 Математические модели деформирования упругого слоя, армированного объёмной и плоской георешетками, модели армированной геосинтетическими материалами многослойной плиты на упругом основании, а также модели многослойной конструкции дорожной одежды с решетчатой плитой в основании.
2 Экспериментальные данные по исследованию закономерностей деформирования геосинтетических материалов, свойств оснований дорожных одежд, армированных геосинтетическими материалами, свойств конструкций дорожных одежд с решетчатой плитой в основании.
3 Результаты исследований физико-механических характеристик армированных оснований дорожных одежд при различных структурах армирования, напряженно-деформированное состояние армированных дорожных конструкций и рекомендации по созданию эффективных дорожных конструкций,
Личный вклад автора состоит в формулировании цели и задач исследования, научном руководстве постановкой экспериментов и опытного строительства, непосредственном участии в проведении исследований, обработке результатов и выводов по работе.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Международных научно-технических и научно-практических конференциях СибАДИ г. Омск (1994 - 1996, 1998, 2001), г. Пенза (2002), Международном семинаре «Геотекстиль и геосинтетики при строительстве автомобильных дорог» МАДИ (ГТУ) г. Москва (2001), научно-технической конференции ТГАСУ «Архитектура и строительство» г. Томск (2002), 58, 60, 61 научно-технических конференциях НГАСУ (Сибстрин) г. Новосибирск (2001, 2003, 2004), III Европейской конференции по применению геосинтетических материалов в строительстве «ЕвроГео-3» г. Мюнхен (Германия, 2004), II Евразийском симпозиуме по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата г. Якутск (2004), V Всероссийском семинаре, посвященном 75-летию НГАСУ (Сибстрин) г. Новосибирск (2005), VIII Международной конференции по применению геосинтетических материалов в строительстве г. Иокогама (Япония, 2006).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в монографии, написанной совместно с научным консультантом д.ф.-м. н., проф. Ю.В. Немировским и 49 научных работах, 11 из которых опубликованы в изданиях, включенных в перечень ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка литературы. Результаты исследований изложены на 391 странице машинописного текста, включая 134 рисунка, 57 таблиц, список литературы из 335 названий.
В первой главе приведены основные понятия об армированных многослойных системах и свойствах армирующих материалов (на примере дорожных конструкций). Дан перечень применяемых в дорожных конструкциях геосинтетических материалов, а также их термоупругие характеристики. Рассмотрены методы расчета и результаты испытаний несущих конструкций с использованием объёмных и плоских георешеток, обсуждаются результаты экспериментальных исследований материала объёмной георешетки Geoweb.
Во второй главе представлены модели деформирования упругого слоя, армированного объёмными и плоскими георешетками и геосетками. Анализируются итоги опытного строительства и испытания дорожных конструкций с основаниями, армированными объёмными георешетками.
В третьей главе изложена теория изгиба многослойных плит с решетчатым армированием на упругом основании, включающая вывод и решение дифференциального уравнения изгиба полиармированной плиты с учетом и без учета сил трения; определение перемещений и напряжений в многослойной плите, армированной плоскими и объёмными георешетками.
В четвертой главе рассмотрен расчет многослойной армированной конструкции на основе модели обобщенного плоского напряженного состояния. Решение получено в напряжениях с использованием рядов Фурье для ортотропного и изотропного материалов слоев. Для иллюстрации метода приведены примеры расчета одно- и двухслойной конструкций. Приведено решение задачи расчета грунтового полупространства, армированного объёмной георешеткой, методом конечных элементов.
В пятой главе дано описание расчетных моделей конструкции дорожной одежды с решетчатой плитой в основании. Обсуждаются результаты численного решения методом конечных элементов. Дается оценка влияния конструктивных параметров решетчатой плиты на её жесткость. Приводятся результаты стендовых и натурных испытаний конструкции дорожной одежды с решетчатой плитой в основании.
Похожие диссертации на Моделирование и расчет армированных многослойных плит на упругом основании
