Введение к работе
Актуальность темы. Одним из основных несущих элементов конструкции нежесткой дорожной одежды является искусственное основание из зернистых материалов: фракционированного щебня, щебеночно-песчаной смеси. Эффективным способом повышения жесткости и несущей способности таких оснований является армирование их плоскими георешетками. Повышение несущей способности основания позволяет увеличить срок службы дорожных одежд, что является актуальной задачей в соответствии с Постановлением Правительства РФ № 658 от 30 мая 2017 г. Армирующие георешетки изготавливаются из сырья различного вида: полимерного и минерального. Они имеют разные размеры и форму ячейки, что существенным образом влияет на деформативность армируемого слоя, механизм которой до конца не изучен. Это объясняется отсутствием научно обоснованных, достоверных, экспериментально подтвержденных моделей деформирования армированных оснований из зернистого материала, а также теории расчета дорожных одежд с армированными слоями, включая слои из зернистого материала.
Степень разработанности темы исследования Вопросы расчета и конструирования оснований дорожных одежд были рассмотрены в работах В.Ф. Бабкова, Г.И. Глушкова, Н.Н. Иванова, В.Д. Казарновского, А.П. Степушина, В.Н. Шестакова. Армированным основаниям дорожных одежд посвящены работы А.Н. Баданина, К. Батероу, В.Ю. Гладкова, Э.М. Доброва, В.А. Кретова, Ю.М. Львовича, С.А. Матвеева, А.Е. Мерзликина, А.В. Мошенжала, Р.Г. Михайлина, Ю.В. Немировского, В.В. Сиротюка, А.П. Фомина, В.М. Юмашева, В.А. Ярмолинского, P. Cancelli, B.M.Das, C. Ghosh, R.Haas, M.R. Hausmann, C.G. Jenner, R.M. Koerner, M.R. Madhav, P. Maheshwari, J.K. Mitchell, F. Montanelli, S.K. Shukla, C.M. Wang и др.
Основная идея работы состоит в теоретическом и экспериментальном обосновании использования модели многослойной плиты для расчета армированного георешеткой щебеночного основания дорожной одежды.
Объектом исследования является армированное щебеночное основание нежесткой дорожной одежды.
Предмет исследования – деформационные свойства армированных оснований нежестких дорожных одежд.
Цель диссертационной работы. Выявление закономерностей деформирования армированного щебеночного основания дорожной одежды на основе изучения механизма взаимодействия зернистого слоя с армирующей георешеткой и разработка метода расчета армированного щебеночного основания.
Задачи исследования:
-
Разработка моделей деформирования зернистой среды, взаимодействующей со сплошным упругим основанием.
-
Обоснование параметров расчетной модели армированного основания дорожной одежды.
-
Проведение экспериментальных испытаний армированного и неармированного слоя щебня на песчаном основании.
-
Обоснование метода расчета армированного зернистого основания и оценка адекватности предложенных моделей деформирования армированного и неармированного зернистого слоя путем сравнения результатов теоретических и экспериментальных исследований.
-
Разработка метода расчета армированного щебеночного основания дорожной одежды.
Методология и методы исследования базируются на методах механики деформируемого твердого тела, механики грунтов, теории упругости, численных методах строительной механики. Экспериментальные исследования выполнены в соответствии с правилами проведения эксперимента и методикой, изложенной в соответствующих нормативных документах, а обработка их результатов – с помощью методов математической статистики.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана новая модель деформирования слоя из зернистого материала,
лежащего на поверхности полупространства и частично погруженного в
сплошную упругую среду. Получено выражение, позволяющее определять прогиб
неармированного слоя зернистого материала.
2. Разработана новая модель деформирования зернистого слоя,
армированного георешеткой, расположенной в его основании. Принята и
подтверждена теоретически гипотеза о том, что армированный зернистый слой
работает как плита на упругом основании. Слой щебня, который фактически
является дискретной средой и не воспринимает растягивающие напряжения, за
счет механического зацепления с георешеткой, уложенной в его основании,
включается в работу в части слоя, прилегающей к георешетке, вследствие чего
возникает эффект армирования. Из условия ограничения деформаций зернистой
среды за счет включения в работу армирующей георешетки получены
аналитические выражения, позволяющие установить жесткостные параметры
эквивалентной по жесткости многослойной плиты.
-
Предложена методика расчета армированного слоя щебня как многослойной плиты на упругом основании с использованием технической теории изгиба и метода Бубнова-Галеркина, что позволяет теоретически рассчитать и обосновать эффективность использования различных видов геосинтетических материалов для армирования оснований дорожных одежд из зернистых материалов.
-
Установлено теоретически и экспериментально подтверждено, что армирование георешеткой со стальными волокнами слоя щебня на песчаном основании позволяет снизить упругий прогиб системы "щебень-песок" на 31-65%.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке новой модели расчета армированных щебеночных оснований дорожных одежд по критерию упругого прогиба.
Практическая значимость работы заключается в том, что на основании проведенных исследований разработана методика расчета армированных щебеночных слоев оснований дорожных одежд, которая дает 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 предлагаемой методики расчета может быть выбрано наилучшее сочетание параметров и характеристик элементов армированных и неармированных конструкций.
Положения, выносимые на защиту. 1. Расчетные модели
деформирования слоя щебня, взаимодействующего с грунтовым основанием при отсутствии и наличии армирующей георешетки. 2. Обоснование возможности использования технической теории изгиба многослойной плиты на упругом основании для расчета армированного георешеткой щебеночного основания дорожной одежды. 3. Метод расчета армированного георешеткой щебеночного основания дорожной одежды. 4. Результаты экспериментальных и теоретических исследований армированного щебеночного основания дорожной одежды. 5. Метод назначения параметров георешетки в зависимости от фракции применяемого щебня и модуля упругости щебеночного слоя.
Степень достоверности научных положений, теоретических решений и полученных результатов подтверждается соблюдением основных принципов математического и физического моделирования, адекватностью расчетных и экспериментальных данных, расхождение между которыми не превышает 15%.
Личный вклад соискателя в решение проблемы заключается в определении цели и задач исследования; в выполнении основной части теоретических и экспериментальных исследований; в анализе и обобщении полученных результатов.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на всероссийских конференциях с международным участием в г. Пермь (2011 г.), в СибАДИ (2011-2017 гг.), в г. Алматы (2014 г.); межвузовских конференциях в ОмГТУ (2012 г.), в СибАДИ (2011-2017 гг.).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 26 работ, в том числе 9 работ в рецензируемых научных журналах: две статьи в журналах из списка Scopus, по одной статье в журналах из списка Chemical Abstract и Agris, 5 статей в журналах из списка ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложений. Результаты исследования изложены на 126 страницах основного текста, включающего 50 рисунков, 24 таблицы, список литературы включает 147 наименований.