Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цели и задачи исследований 11
1.1. Геосинтетические, в том числе геотекстильные материалы. Виды, функции, области применения, классификация 11
1.2. Свойства геотекстильных материалов, методы их определения. Требования к свойствам в зависимости от целей и условий применения 21
1.3. Прослойки из геосинтетических материалов в дорожных конструкциях - анализ теоретических, экспериментальных исследований и нормативного обеспечения применения с позиций регламентации свойств материалов 40
1 А. Выводы. Цели и задачи исследований 46
2. Разработка основ методики регламентации параметров механических свойств геотекстильных материалов 48
2.1. Исходные предпосылки регламентации параметров свойств геотекстильных материалов 48
2.2. Анализ условий работы и роли прослоек из геотекстильных материалов в процессе строительства и в период эксплуатации дорожных конструкций 53
2.3. Предварительное обоснование перечня значимых параметров механических свойств, методов их оценки 62
2.4. Краткий анализ полученных данных и основные выводы по главе 2 65
3. Лабораторные экспериментальные исследования по оценке параметров механических свойств геотекстильных материалов, влияющих на работоспособность дорожных конструкций 68
3.1. Исходные предпосылки проведения экспериментальных исследований 68
3.2. Экспериментальные исследования по оценке влияния прослоек из геотекстильных материалов на прочность дорожных конструкций и их анализ с позиций регламентации свойств 69
3.3. Экспериментальные исследования по оценке параметров свойств геотекстильных материалов и факторов, на них влияющих 100
3.4. Выводы по главе 3 119
4. Полевые экспериментальные исследования и их анализ с позиций регламентации показателей свойств ге. отекстильных материалов 122
4.1. Цель и условия выполнения опытного строительства 122
4.2. Результаты полевых экспериментальных работ - исследования в процессе строительства и наблюдения в период эксплуатации дорожных конструкций 123
4.3. Оценка изменения параметров механических свойств геотекстильных материалов в процессе эксплуатации 136
4.4. Выводы по главе 4 141
5. Разработка практических рекомендаций по выбору геотекстильных материалов при их применении в дорожных конструкциях 143
5.1. Рекомендации по оптимизации выбора геотекстильных материалов, назначению расчетных значений показателей их механических свойств 143
5.2. Рекомендации по минимальным требуемым показателям механических свойств геотекстильных материалов 146
5.3. Рекомендации по контролю качества и методам оценки показателей механических свойств геотекстильных материалов, 149
Выводы 162
Литература
- Свойства геотекстильных материалов, методы их определения. Требования к свойствам в зависимости от целей и условий применения
- Анализ условий работы и роли прослоек из геотекстильных материалов в процессе строительства и в период эксплуатации дорожных конструкций
- Экспериментальные исследования по оценке влияния прослоек из геотекстильных материалов на прочность дорожных конструкций и их анализ с позиций регламентации свойств
- Оценка изменения параметров механических свойств геотекстильных материалов в процессе эксплуатации
Введение к работе
Необходимость совершенствования и развития сети автомобильных дорог Российской Федерации ставит ряд стратегических задач, среди которых - использование усовершенствованных и качественных дорожно- строительных материалов, как основы новых надежных и экономичных конструктивно-технологических решений. К числу таких материалов с полным правом можно отнести геосинтетические. Наиболее распространенные из группы геосинтетических - геотекстильные материалы, широко используются в практике мирового строительства, реконструкции и ремонта автомобильных дорог с конца 60-х и в отечественной практике - с середины 70-х годов. Это связано прежде всего с:
высоким качеством самих материалов вследствие заводского изготовления, низкими транспортными расходами и трудозатратами в условиях строительства вследствие удобной формы поставки;
возможностью выполнения в комплексе или раздельно нескольких функций (армирование, дренирование, защита, фильтрование, гидроизоляция) для решения широкого круга задач в различных областях применения;
разнообразием геотекстильных материалов, различающихся по структуре, технологии производства, составу сырья, а значит показателям свойств.
Специфика этих материалов требует дифференцированной по областям применения регламентации большого комплекса показателей свойств, зачастую противоречиво связанных друг с другом (улучшение одних ведет к ухудшению других), изменяющихся в процессе эксплуатации и определяемых к тому же по различным, не в полной мере согласованным, методикам. С 90-х годов отечественным потребителям стали доступны десятки марок геотекстильных материалов, каждая из которых имеет 6-10 и более разновидностей, что увеличивает число вариантов выбора до сотен в условиях неполной определенности критериев выбора.
Выполненные на сегодняшний день теоретические и экспериментальные исследования создают возможность выбора геотекстильных материалов для отдельных областей применения (например, при строительстве дорог в условиях слабых оснований) и в отношении отдельных показателей свойств (водно-физических). В части же создания прослоек различного назначения в дорожных конструкциях действующие документы нормативного и методического характера либо декларируют целесообразность принятия того или иного решения без указания, какими именно показателями свойств геотекстильные материалы должны обладать, либо предусматривают некоторую регламентацию по неполному перечню параметров свойств, либо ориентируются на определенную разновидность материала. В то же время цена вопроса обоснованного выбора геотекстильного материала велика: - с одной стороны этим определяется техническая эффективность решения, надежность и долговечность дорожной конструкции, с другой - экономическая эффективность, поскольку при имеющемся различии в показателях механических свойств, стоимость геосинтетических материалов может различаться на порядок.
В связи с этим вопрос обоснования и выбора параметров свойств геотекстильных материалов при их применении в дорожных конструкциях в зависимости от решаемых задач является актуальным.
Настоящая работа посвящена разработке системы обоснования и выбора параметров механических свойств геотекстильных материалов для применения в дорожных конструкциях.
Научная новизна работы. На основе теоретических и экспериментальных исследований по оценке условий работы и роли прослоек из геотекстильных материалов в дорожных конструкциях, разработан порядок их выбора для применения в дорожных конструкциях в
зависимости от механических свойств, условий применения. При этом:
-уточнена методика оценки параметров механических свойств геотекстильных материалов;
предложена зависимость, учитывающая изменение прочности геотекстильных материалов в период эксплуатации;
раскрыт механизм и предложен способ учета влияния на сдвигоустойчивость подстилающего грунта защитной (защитно- дренирующей) прослойки, устраиваемой из высокодеформативного нетканого геотекстильного материала под дополнительным слоем основания нежесткой дорожной одежды.
Достоверность результатов. Достоверность полученных автором результатов подтверждается проверкой в производственных условиях в ходе выполнения опытного строительства, реализацией результатов в шести нормативных и методических документах, утвержденных к применению в дорожной отрасли, а также использованием результатов в процессе выполнения договоров с производителем геотекстильных материалов.
Практическая ценность состоит в разработке конкретных рекомендаций, позволяющих:
при проектировании и производстве работ осуществлять обоснованный выбор геотекстильных материалов для применения в дорожных конструкциях в зависимости от их механических свойств, условий производства работ, функций и областей применения;
уточнить методику проектирования в части определения расчетных значений показателей механических свойств геотекстильных материалов, отдельных этапов расчета дорожных конструкций с прослойками из них;
уточнить методику контроля качества, методы оценки механических свойств геотекстильных материалов;
при производстве геотекстильных материалов оптимизировать подход к назначению ассортимента разновидностей с учетом установленных минимальных требуемых значений показателей их механических свойств.
Реализация работы. Результаты проведенных исследований использованы в ряде действующих в дорожной отрасли нормативных и рекомендательных документов, в частности, в: «Рекомендациях по повышению качества земляного полотна путем его армирования синтетическими материалами (для опытного применения)» (Гипродорнии, ЦБНТИ Минавтодора РСФСР, М., 1979), «Рекомендациях по укреплению обочин при ремонте и строительстве автомобильных дорог с применением рулонных синтетических материалов» (Гипродорнии, ЦБНТИ Минавтодора РСФСР, М., 1985), «Указаниях по повышению несущей способности земляного полотна с применением синтетических материалов» (КОЦ СЭВ, София, 1985), «Рекомендациях по совершенствованию методов конструирования и технологии повышения общей устойчивости конусов и откосов земляного полотна (для опытного применения)» (Гипродорнии, ЦБНТИ Минавтодора РСФСР, М., 1987), «Указаниях по повышению несущей способности земляного полотна и дорожных одежд с применением синтетических материалов (ВСН 49-86)» (Минавтодор РСФСР, Транспорт, М., 1988), «Рекомендациях по расчету и технологии устройства оптимальных конструкций дорожных одежд с армирующими прослойками при строительстве, реконструкции и ремонте дорог с асфальтобетонными покрытиями» (НПО Росдорнии, Информавтодор, М., 1993).
Результаты исследований использованы в ходе научно - технического сопровождения проектирования и реконструкции ряда объектов по отдельным договорам, в частности, а/д Москва - С. Петербург, а/д Тюмень - Ханты-Мансийск, а/д Ишим - Бердюжье и др., а также при выполнении договоров с отдельными производителями геотекстильных материалов, имевших целью оценку свойств, областей применения, оптимизацию ассортимента выпускаемых материалов (ОАО «Комитекс» - договор № 3117-01/14 от 14.09.01, ОАО «Пинема» - договор № 3-128-00/14 от 15.03.00). В настоящее время результаты исследований использованы при разработке проектов ряда документов - «ОДН. 218.049-2003. Правила применения геосинтетических материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог», «ОДН 218.039 -2002. Укрепление обочин автомобильных дорог», «ОСТ 218.2.0... - 2003.Геосинтетические материалы. Термины, определения, общие требования», «ОСТ 218.2.0....-2003. Геосинтетические материалы. Контроль качества. Общие положения», «ОДН 218.024 - 2003. Технические правила ремонта и содержания автомобильных дорог общего пользования».
Апробация работы. Материалы и результаты диссертационной работы докладывались на Международной конференции по применению синтетических материалов в геотехнике (Париж,1977), Всесоюзном семинаре «Применение геотекстильных материалов в транспортном строительстве (Москва, 1988), научно- практическом семинаре «Применение геотекстильных и геопластиковых материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог» (Владимир, 1998), Международном семинаре «Геотекстиль и геосинтетики при строительстве автомобильных дорог» (Москва, 2001). Материалы диссертации были использованы в национальных докладах СССР на XVI (Вена, 1979) и XVII (Сидней, 1983) Международных дорожных конгрессах и докладе на XII Международной конференции по механике фунтов и фундаментостроению (Рио-де - Жанейро,1989).
Публикации. По результатам исследований опубликовано 44 печатные работы.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов, списка литературы, содержащего 158 наименований работ и приложений. Текст диссертации изложен на 190 стр., включая 42 рисунка, 23 таблицы.
Учитывая, что терминологию, используемую при рассмотрении геосинтетических материалов в различных работах нельзя назвать устоявшейся, а при описании свойств таких материалов рассматриваются многочисленные показатели, отдельно в приложении 1 представлена применяемая автором терминология и условные обозначения с необходимыми пояснениями.
Диссертационная работа выполнена в ГП Росдорнии под руководством доктора технических наук, профессора В.А. Кретова. Научные консультации в процессе работы над диссертацией были оказаны кандидатом технических наук Ю.Р. Перковым. Автор выражает глубокую признательность своим научным руководителям за ценную помощь и советы, а также благодарность за активное содействие сотрудникам ОЗП и УГ ГП Росдорнии, отдела механики грунтов и Бюро внедрения НИИ оснований и подземных сооружений.
Свойства геотекстильных материалов, методы их определения. Требования к свойствам в зависимости от целей и условий применения
Параметры свойств группы (П. На применяемые в строительстве геосинтетические, в том числе геотекстильные материалы, оказывают влияние следующие агрессивные воздействия: - (1.1) биологические, химические, температурные, световые. Чувствительность ГМ к ним определяется, главным образом, составом сырья; - (1.2) технологические, возникающие в процессе строительства (укладки ГМ, отсыпки, уплотнения вышележащих слоев), вызывающие повреждения материалов. Чувствительность геотекстильных материалов к технологическим повреждениям определяется, прежде всего, их механическими свойствами, и некоторыми из физических (поверхностная плотность, толщина); - (1.3) дополнительные эксплуатационные (помимо (1.1)). В частности, стойкость к кольматации дренирующих, фильтрующих прослоек из ГМ зависящая, прежде всего, от физических свойств ГМ и длительное нагружение, чувствительность к которому определяется механическими свойствами, составом сырья ГМ.
По общему мнению, геосинтетические материалы обладают, в целом, высокой стойкостью к агрессивным воздействиям и при некоторых ограничениях в отношении отдельных разновидностей сырья, отдельных зидов воздействий, могут иметь по показателям свойств группы (1.1) срок службы, сопоставимый со сроком службы самих сооружений. Содержание таких ограничений понятно, исходя из данных табл. 1.3, характеризующей влияние отдельных факторов на волокна из различного сырья.
Ограничения по применению материалов различного состава сырья можно сформулировать следующим образом: - следует ограничивать применение полиамидных ГМ в кислотных средах (рН 5,0), полипропиленовых - в условиях длительного действия значительной по величине нагрузки, полиэфирных - на контакте со слоями, содержащими известь, цемент, в других щелочных средах с рН 9; - следует также предъявлять более жесткие требования по транспортировке и укладке полипропиленовых и полиамидных ГМ с точки зрения светового воздействия или использовать разновидности ГМ из сырья, стабилизированного по отношению к воздействию ультрафиолетового излучения; - ГМ из вторичного сырья, в том числе, содержащего не синтетические компоненты, могут быть использованы только в качестве временной прослойки, например, защитной (технологической) прослойки на период строительства. С теми или иными нюансами, подобный подход присутствует в большинстве действующих документов, в частности /58,93/, подтверждается рядом работ /47,63,65,78,83,84,143,208/, Однако отсутствует общий подход к количественной оценке все же имеющего место изменения показателей свойств группы (3) в период эксплуатации. А именно, прогноз такого изменения определяет фактический срок службы геосинтетических материалов, значения расчетных показателей свойств группы (3). В ряде работ содержатся рекомендации по той или иной краткосрочной методике оценки влияния отдельных факторов, имеется ряд стандартов по этому вопросу (ENV 12224, EN 13249, /21, 28/), однако прогноз фактического срока службы, изменения показателей свойств группы (3) по результатам такой оценки невозможен.
В ряде источников /47,138,151/ для оценки где: т- действующее напряжение, К - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура, U0 - активационный барьер разрушения, т0, у - постоянные. На основе этой зависимости установлено, в частности, что разрушение полиамидных материалов при температуре 20 С наступит в средах с рН 1,5 через год, а в средах с рН 7 - через 2000 лет, однако под действием гидролиза процесс разрушения может ускорится.
Имеются также отдельные разрозненные данные по изменению прочности и деформативности материалов по результатам отбора проб из эксплуатируемых сооружений /65,78,84,121,143/. Обычно для материалов из полипропилена и полиэфира на период 5-8 лет отмечается снижение прочности на 10-30%, причем темпы такого снижения носят затухающий характер. Изменение деформативности носит более противоречивый характер - обычно она снижается, но в некоторых случаях наблюдается небольшое ее увеличение, как правило по одному из направлений растяжения испытываемого образца. В целом такие данные несколько противоречат обычно применяемому в зарубежной проектной практике значению понижающего прочность коэффициента, учитывающего чувствительность к воздействию окружающей среды (1,1-1,2).
Параметры свойств группы (2) - прежде всего, поверхностная плотность, однородность по плотности, толщина при различных давлениях, показатели водно-физических свойств — коэффициенты фильтрации в плоскости полотен (для нетканых иглопробивных) и нормальном ей направлении, фильтрующая способность (эффективный диаметр пор Оод, мм). Оценка поверхностной плотности и толщины нормируется стандартами системы ГОСТ Р /24, 25/, гармонизированными с соответствующими стандартами ISO (ISO 9863, ISO 9864). Определение параметров водно- физических свойств регламентировано стандартами ISO /129, 130, 132/, а в отечественной практике для оценки водопроницаемости применяется прибор конструкции СоюздорНИИ /78/, опытный образец которого создан и испытан ОАО НИИНМ, СоюздорНИИ и опытным заводом «Текстильприбор». В США разработан ряд стандартов на методы испытаний, нацеленных на оценку изменения водно-физических свойств геотекстильных материалов в результате кольматации в период эксплуатации /50/; в отечественной практике этот вопрос исследовался на опытном оборудовании МАДИ /42, 46/.
Параметры свойств группы (3) характеризуют прочность, деформативность и сопротивляемость местным повреждениям геотекстильных материалов. В зависимости от целей, условий выполнения (схема испытаний, режим нагружения) можно выделить 4 категории методов оценки параметров механических свойств (табл. 1.4): - испытания одноосным растяжением образцов. Общеприняты в международной практике испытания одноосным растяжением образцов размером 200 х 100 мм с постоянной скоростью деформирования около 20 мм/мин, В то же время, в национальных стандартах за рубежом (например, DIN EN 29073) и в отечественной практике применяются испытания образцов другого размера (обычно, 50 х 100 мм), при другом режиме нагружения. Кроме того, имеются отличия в части определяемых параметров механических свойств - в зарубежной практике основными обычно являются максимальная нагрузка при разрыве и относительная деформация при этой нагрузке, также - деформация при разрыве, условный модуль деформации («модуль жесткости»), а в отечественной практике производители обычно определяют нагрузку при разрыве и деформацию при разрыве;
Анализ условий работы и роли прослоек из геотекстильных материалов в процессе строительства и в период эксплуатации дорожных конструкций
Регламентация механических свойств, в отличии от некоторых других, всегда необходима независимо от функционального назначения прослойки, поскольку определяет, в первую очередь, саму возможность существования прослойки в определенных условиях ее работы и только в некоторых случаях какие-либо из показателей механических свойств могут определять уровень выполнения защитно - армирующих функций. В связи с этим должны быть рассмотрены следующие основные области применения геотекстильных материалов в дорожных конструкциях: - под основанием дорожной одежды, в том числе под основанием из крупнофракционных материалов, в качестве защитных (разделяющих), защитно - армирующих, технологических (разделяющих на период эксплуатации); - под дополнительным слоем основания дорожной одежды, в том числе песчаным с возможным присутствием крупнофракционных частиц, в качестве защитных (разделяющих), фильтрующих, возможно - армирующих прослоек; - в откосах насыпей в качестве армирующих прослоек; - в зоне обочин в качестве защитных (разделяющих), армирующих прослоек. Регламентация параметров свойств должна опираться на рассмотрение следующих основных определяющих ее факторов: - воздействий на геотекстильный материал в процессе строительства, - воздействий на материал в период эксплуатации, -формулировке требований к материалу, исходящих из роли прослойки в дорожной конструкции.
Воздействия в период строительства зависят от вида строительных материалов на контакте, применяемой технологии производства работ (построечной техники, толщин слоев, времени до перекрытия прослойки, времени действия повышенных строительных нагрузок). Из рассмотренных в разделе 1 основных параметров свойств геотекстильных материалов должны быть выделены значимые, определяющие сохранность материалов в период строительства. Для части из них (значимых и в период эксплуатации), должно быть оценено снижение в период строительства, для другой же части предъявлены окончательные требования по численным значениям показателей свойств.
Воздействия в период эксплуатации зависят от комплекса факторов, характеризующих состояние окружающей среды (химических, бактериологических, температурных), характера и величины возникающих эксплуатационных нагрузок. В отношении этих воздействий должны быть изначально введены ограничения по применению материалов определенного состава сырья на основе сформулированных в п. 1.2 настоящей работы. В дальнейшем выходящие за пределы таких ограничений случаи не рассматриваются. Стабильность значимых в период эксплуатации параметров свойств под действием комплекса агрессивных воздействий за период срока службы должна быть оценена, а первоначальные значения Рп приведены через обосновываемую систему понижающих коэффициентов «fm» к расчетным (допустимым по условиям эксплуатации) Рд.э. - зависимость (2.1). Если возникает возможность выяснить уровень эксплуатационного значения показателя Ртрэ через реализацию теоретических решений (р.2.2), а также осреднить РфЭ. для отдельных областей применения, могут быть сформулированы минимальные требования к параметрам свойств на момент производства геотекстильного материала Рптр. - зависимость (2.2).
Учитывая многофакторность задачи, целесообразно рассмотреть общую схему системы регламентации параметров механических свойств геотекстильных материалов (рис. 2.1). Она предусматривает 6 условных этапов регламентации параметров механических свойств Р„. Краткая характеристика этапов: -на этапе I предусматривается переход (понижение) от исходных показателей свойств к гарантированным на момент производства с учетом неоднородности по поверхностной плотности Ау (обычно, 5 - 12%); коэффициент f ! обосновывается зависимостью, связывающей угм, с, Rp, Егм, а при необходимости с другими показателями, в пределах одной марки материала. В связи с этим должны быть экспериментально оценены зависимости Rp, Em - f(y); -на этапе II оцениваются, исходя из условий строительства, минимальные требования к показателям свойств; для временных (защитно- технологических) прослоек этап II - заключительный этап регламентации. Значения коэффициентов f учитывая неоднородность строительных условий может быть обосновано экспериментальными данными и только частично - некоторыми теоретическими соображениями (р.2.2). Введение коэффициента f3 помимо основного коэффициента fy на этом этапе связано с необходимостью дополнительного учета формы частиц крупнофракционного материала; -на этапах III и IV оценивается изменение параметров механических свойств под влиянием агрессивных воздействий; разделение на два этапа связано с возможностью оценки значений f4, f5 только экспериментально, причем достоверность оценки понижающих коэффициентов за период наблюдений (f4) и экстраполяции (f5) различна. Для случая длительного воздействия нагрузки (армирование откосов) в число «агрессивных факторов» дополнительно включается сама нагрузка, причем параметры f4(5) для Ядл и Rek различны, поскольку условие ограничения по деформации (RK) не связано прямо с эксплуатационным падением прочности, а «жесткость» армирующих геотекстильных материалов по крайней мере не понижается; более того, следует отдельно рассмотреть необходимость учета агрессивных воздействий (помимо нагрузки) даже на параметр R - возможно в этом нет необходимости, так как такой учет правильнее выполнить по значению Rp, что требует отдельного обоснования; -на этапе V предусматривается учет важности сооружения (возможных последствий «отказа» в работе материала); очевидно, что значения f6 не могут быть точно обоснованы, но должны быть минимальны при армировании откосов и максимальны (близки к 1) для защитных прослоек.
Экспериментальные исследования по оценке влияния прослоек из геотекстильных материалов на прочность дорожных конструкций и их анализ с позиций регламентации свойств
То есть, влияние прослоек на несущую способность значительно при условном модуле деформации геотекстильных материалов Ега 7-И 5 кН/м (4-7 Мпа ) или Еш Сф. 16 кН/м (8,5 Мпа ) и толщинах грунтовых слоев, близких к обычно имеющих место в ходе устройства дорожной конструкции. Влияние жесткости прослоек из ГМ сказывается постоянно, но относительное влияние параметра несущую способность Ет снижается - при различии по деформативности между ГМ № 19 и ГМ № 14.7 в 9 раз, разница в относительном повышении несущей способности составляет 1,5 - 1,8 раз.
Из других результатов эксперимента с точки зрения поставленной цели представляет интерес следующее: -сопоставление замеренных величин отдельных параметров (напряжений, перемещений, осадок), конечных величин, характеризующих несущую способность основания, показывает, что достигается совместность работы прослоек и окружающего грунта. Отмеченная в экспериментах на плоских моделях возможность потери прочности за счет сдвига над прослойкой в рассматриваемых экспериментах не наблюдалась даже для пленочного материала (ГМ № 12); -на горизонтальные перемещения при нагрузках (1,1-5-1,5) PiKp. (по вертикальному сечению в 5-10 см от края штампа) оказывает влияние достаточно жесткие прослойки (Егм 60 кН/м). Также отмечено влияние высокодеформативного материала ГМ №9.1, уложенного в два слоя (один на другой). Из-за большого разброса показаний, связанных с методом оценки перемещений, нельзя говорить о точной количественной оценке; однако тенденция к уменьшению горизонтальных перемещений под прослойками (58 см ниже уровня их укладки) относительно горизонтальных перемещений на том же уровне для неармированного основания, прослеживалась достаточно явно, особенно при двухслойной укладке ГМ №9.1; -попытки анализа соотношения вертикальных и горизонтальных нормальных напряжений с позиций влияния прослоек на активные сдвигающие напряжения не были успешными из-за значительного разброса показаний вертикально установленных датчиков, по которым фиксировались значения горизонтальных нормальных напряжений; но отмечена тенденция к понижению активных сдвигающих напряжений для заложенной на оптимальной глубине прослойки из двух слоев ГМ № 9.1 и прослойки ГМ № 12. (их вычисление велось по общепринятой зависимости /44/).
Эксперименты направления 1) были продолжены на стенде, позволявшем прикладывать как статическую, так и динамическую нагрузки к создаваемой модели. На рис. 3.7 стенд представлен в варианте , позволяющем прикладывать динамическую нагрузку.
Основные цели выполнения эксперимента: -оценка повреждаемости ГМ при укладке на контакте с крупнофракционными материалами в период строительства и оценка показателей его свойств, влияющих на повреждаемость; -оценка повреждаемости ГМ в этом же случае в период эксплуатации; - оценка возможного влияния ГМ на работоспособность дорожных конструкций с позиций расчетной схемы по рис.2.3 б.
Стенд состоит из цилиндрического лотка 1 установленного на основании 2 с закрепленными на нем стойками 3 и силовой рамы (фермы) 4 на стойках. Модель испытываемой конструкции (земляное полотно, слои дорожной одежды) 5 устраивается в лотке 1. Динамическая нагрузка на ее поверхности создается с помощью системы из электродвигателя 6, редуктора 7 с насадкой на оси 8, специального узла А и рычагов 9 с осями 10 на подшипниках, укрепленных на стойках 11. Она передается от верхнего из рычагов 9 через вывинчивающийся подпружиненный шток 12 с тензодатчиком перемещений 13 в нижней части, центрирующей шарик на цилиндрическом тензодатчике давлений 14 и круглый штамп 15 в центре лотка. При необходимости вокруг штампа создается боковая пригрузка 16, моделирующая вес дорожной одежды (металлическое кольцо с отверстием под штамп). На трех уровнях по периметру лотка установлены тензодатчики давлений 17. Узел А служит для передачи на рычажную систему повторных нагрузок определенного вида, а его конструкция изменяется в зависимости от требуемого характера передаваемого импульса. Он состоит из насадки на штоке 8 редуктора в виде кольца с вырезом, где установлен подшипник (несколько подшипников), который передает давление на нижний из рычагов 9 через помещенный в укрепленную на рычаге камеру подпружиненный шарик или из цилиндричес- кой насадки (эксцентрика) с осью смещенной относительно оси редуктора 8. Импульс нагрузки зависит от конструкции узла А и может легко меняться. Импульс усиливается в 36 раз системой рычагов 9, объединенных серьгой 18 (нижний и средний рычаги) и жесткой площадкой (средний и верхний рычаги). В верхний из них ввинчен шток 12, через который импульс передается на штамп 15. Для компенсации снижения нагрузки в результате перемещения штампа (деформирования конструкции) шток 12 периодически подворачивается до создания на штамп первоначальной нагрузки, контролируемой датчиком 14, показания которого регистрируются осциллографом. Величины перемещений штампа замеряются тензодатчиком 14 (тензоиндикатор, индукционный датчик - в зависимости от величин перемещений) и регистрируются на осциллограмме. Датчики давления 17 служат для контроля горизонтальных нормальных напряжений (правильности назначения размеров модели).
При выполнении испытаний в лотке 1 создавались два варианта моделей:- щебень - песчаный подстилающий слой ; - песчаный слой - связный грунт. Характеристики создаваемых слоев: -гранитный щебень фракций 10-20 мм плотностью 1,73 г/см толщиной 0,45 Д (ударное уплотнение в один слой); -мелкозернистый песок Люберецкого карьера: влажность 10,5%, плотность 1,93 г/см3, плотность скелета 1,75 г/см3, пористость 0,34, коэффициент пористости 0,52 , степень влажности 0,53 , толщина при создании верхнего слоя 0,40 Д (виброуплотнение в 3 слоя); -связный грунт — суглинок тяжелый пылеватый : влажность 17,2% (1,15 WonT.), плотность 2,15 г/см3, плотность скелета 1,83 г/см3, пористость 0,41, коэффициент пористости 0,69 , коэффициент консистенции 0,11 (ударное уплотнение в 4 слоя), прочностные характеристики - угол трения р=20, сцепления С=0,018 МПа. На границах указанных слоев создавались прослойки из геотекстильных материалов по табл.3.4. (выборочно для разных вариантов моделей), часть опытов выполнена без создания прослоек.
Оценка изменения параметров механических свойств геотекстильных материалов в процессе эксплуатации
Для оценки возможности и эффективности применения ГМ требуется знание зависимостей изменения механических характеристик в процессе эксплуатации. На этой основе можно правильно учесть расчетные значения характеристик, установить их предельные значения на момент изготовления ГМ. Одним из способов получения таких зависимостей является наблюдение за работой геотекстильных материалов в сооружении. Очевидно, что он не может дать высокой точности: период наблюдений всегда ограничен, комплекс воздействий связан с конкретным местом и областью применения. Однако в настоящее время это - единственный способ, позволяющий получить осредненные зависимости на основе реальных данных.
Для оценки изменения в процессе эксплуатации механических характеристик геотекстиля были проведены обследования построенных участков дорог. Периодически (через 1-3 года) на семи участках дорог, расположенных во II дорожно-климатической зоне, отбирали образцы ГМ. Срок наблюдений за каждым участком составлял 6-12 лет. Участки разбиты на ряд секций, которые различаются видом геотекстильных материалов и метом их расположения в дорожной конструкции. Отбор проб выполняли: - в пределах проезжей части дорог с различными типами дорожной одежды (в том числе с переходными) в диапазоне уровней заложения от верхней части земляного полотна (0,3-0,5 м от его поверхности) до щебеночного основания (покрытия) - четыре участка, 13 секций; - в пределах обочин - четыре участка, девять секций; - в нижней части насыпи в мокрой выемке дороги с облегченным типом дорожной одежды - один участок, две секции; - в нижней части тонкой насыпи на слабом основании временной дороги - один участок, две секции. Применявшиеся геотекстильные материалы - из полиамидного (РА), полиэфирного (РЕ) и полипропиленового (РР) сырья. Образцы для последующих испытаний отбирали обычно в трех точках одной и той же секции участка дороги, причем точки отбора соответствовали, как правило, материалу одного рулона, начальные значения характеристик которого определялись предварительно. Результаты испытаний показали существенный разброс получаемых показателей, и, прежде всего, деформативных свойств. Это связано, очевидно, как с неоднородностью геотекстиля, так и с различием условий его эксплуатации. В то же время, полученные показатели для геотекстиля на основе одного полимера - имели общие для различных условий и регионов эксплуатации, за исключением материала, уложенного непосредственно под щебеночное покрытие минимальной толщины - 0,1-0,12 м. Имеющиеся данные позволяют оценить осредненные зависимости изменения, прежде всего, прочности геотекстильных материалов, изготовленных на основе трех наиболее распространенных видов полимеров. Зависимости по рис.4.10 характеризуют изменение прочности геотекстиля при малой химической активности фунтов (рН=5,8 8,6) и в не слишком жестких условиях эксплуатации. Отмечается более резкое снижение прочности в начальный период и последующая постепенная стабилизация темпов этого процесса; такой характер изменения прочности наиболее ярко выражен у полиамидных материалов. Так, в первые 2-4 года темпы снижения прочности составляют 20-30% в год для полиамидных и 4-5% для полиэфирных, полипропиленовых геотекстильных материалов, а в последующие 6-8 лет не превышают, соответственно, 4-5 и 0,5-2% в год (кривые РА и РЕ, РР на рис. 4.10). Аналитически эти зависимости могут быть представлены следующим выражением: где: К - коэффициент, связывающий значение начальной прочности R с прочностью RT через Т лет эксплуатации (RT = К Rp); a, b - параметры, зависящие от вида полимера; а=0,09, Ъ=0,5 - для геотекстиля из РЕ, РР; а=0,4, Ь=1,0 - РА. Выражение (4.1) может быть записано в виде: В этом случае, если значение RT принять равным требуемому на определенный момент с начала эксплуатации, то значение Т будет представлять соответствующий срок службы геотекстиля в сооружении. На рис. 4.10 для полиэфирных и полипропиленовых материалов приведены также интервалы изменения прочности геотекстиля по литературным данным. Следует отметить, что на рис. 4.10 для случаев 5 и 5 , когда в источнике указаны осредненные данные изменения R за определенный срок службы геотекстильной прослойки в условиях эксплуатации, указаны области возможного размещения точек зависимости RT/R=f(T) (заштрихованные области на рис. 4.10). Перечисленные данные относятся к отличающимся по регионам или областям применения условиям, чем описанные выше, однако результаты сопоставимы. Представляется возможным основываться на приведенных зависимостях, уточняя по мере накопления данных коэффициенты а и Ь. Подобная приведенной на рис. 4.10 зависимость для деформативных характеристик не установлена. Получен значительный разброс данных, не поддающихся в настоящее время корреляции по какому-либо признаку - региону, области применения, виду полимера и даже сроку эксплуатации. Как правило, происходит уменьшение деформаций, о чем свидетельствуют интервалы изменения условного модуля деформации Е и относительной деформации при разрыве е0 (рис. 4.11). При оценке этих параметров в практических расчетах можно ориентироваться на одну из границ интервала (в зависимости от влияния параметров на надежность сооружения в каждом конкретном случае).
