Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор. состояние вопроса и задачи исследования 12
1.1 Анализ и сферы применения армогрунтовых стен на сети железных дорог 12
1.2 Деформации армогрунтовых стен и их последствия 27
1.3 Методические и методологические основы проектирования и расчета армогрунтовых стен 39
1.4 Постановка задач исследования и методы их решения 50
Выводы по первой главе 50
2 Экспериментальное исследование взаимодействия геосинтетических материалов и грунтов при выдергивании 52
2.1 Разработка испытательного лабораторного стенда для выдергивания
геосинтетического материала из грунта 52
2.1.1 Основные аспекты моделирования граничных условий в испытаниях на выдергивание геосинтетических материалов из грунта 52
2.1.2 Конструкция лабораторного стенда для проведения испытаний на выдергивание 55
2.2 Экспериментальное лабораторное исследование по определению коэффициента взаимодействия при выдергивании геосинтетического материала из грунта 59
2.2.1 Состояние вопроса. Теории и практике в исследованиях на выдергивание 59
2.2.2 Материалы для проведения испытаний 66
2.2.3 Цель и программа проведения исследований
2.2.4 Методика проведения испытаний на выдергивание геосинтетического материала из грунта 71
2.2.5 Результаты лабораторных исследований по выдергиванию геосинтетических материалов из грунтов заполнителей 75
Выводы по второй главе 81
3 Численное и физическое моделирование напряженно деформированного состояния земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной 83
3.1 Оценка адекватности численного решения методом центробежного моделирования 83
3.1.1 Математическое моделирование земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной методом конечных элементов 84
3.1.2 Физическое моделирование земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной, на геотехнической центробежной установке МГУПС (МИИТ) 93
3.1.3 Сравнение результатов численного и физического моделирования 103
Выводы по третьей главе 104
4 Параметрическое исследование земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной по первой и второй группе предельных состояний 106
4.1 Анализ влияния характеристик материалов армогрунтовых стен на их деформативность 106
4.2 Оценка влияния конструктивных параметров армогрунтовых стен на общую устойчивость и деформативность 111
4.3 Общие положения усовершенствованной методики расчета армогрунтовых стен для усиления земляного полотна 121
Выводы по четвертой главе 123
Заключение 125
Список литературы 128
- Деформации армогрунтовых стен и их последствия
- Постановка задач исследования и методы их решения
- Основные аспекты моделирования граничных условий в испытаниях на выдергивание геосинтетических материалов из грунта
- Оценка влияния конструктивных параметров армогрунтовых стен на общую устойчивость и деформативность
Деформации армогрунтовых стен и их последствия
Стратегия развития холдинга «РЖД» до 2030 года подразумевает строительство и реконструкцию (модернизацию) транспортной инфраструктуры Московского узла и ряда крупнейших агломераций страны. Реконструкция (модернизация) железнодорожного пути направлена на повышение прочности, несущей способности, стабильности, долговечности и других показателей надежности как железнодорожного пути в целом, так и его составных частей и элементов [48]. Поэтому для деформирующегося земляного полотна, являющегося важнейшей частью железнодорожного пути, в процессе проведения работ по реконструкции будут выполнены мероприятия по его стабилизации и усилению.
Под деформациями следует понимать изменение во времени первоначальной формы, размеров и литологического строения земляного полотна, вызываемые неблагоприятным воздействием природных и антропогенных факторов [2, 49]. Такие деформации как сплывы и оползания откосов, особенно высоких насыпей (более 6 м), представляют наибольшую опасность, поскольку именно из-за них чаще всего возникают длительные перерывы в движении, а иногда и крушение поездов [5, 7, 50, 51]. С увеличением высоты насыпи повышается вероятность ее деформации. Так около 30% длительно эксплуатируемых насыпей высотой более 10-12 м неустойчивы, а насыпи высотой более 18-20 м практически все подвергались деформациям [2]. Причем сплывные деформации на высоких насыпях повторяются периодически [2, 52, 73]. На рисунке 1.1 показан сплыв откоса высокой насыпи произошедший в 2004 году на участке Орел-Мценск Московской железной дороги. Проблемам устойчивости земляного полотна посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Шахунянца Г.М. [52, 53, 54, 55, 56], Яковлевой Т.Г. [56, 57], Коншина Г.Г.[58], Гольдштейна М.Н. [59], Прокудина И.В. [60], Стояновича Г.М. [61, 62, 63], Ломизе Б.М. [64], Иванова А.И. [65], Виноградова В.В [7], Ашпиза Е.С. [2], , Terzaghi K. [66], Bishop A. [67], Morgenstern N. [67] и др.
На устойчивость земляного полотна влияет множество факторов. Одним из основных, а в большинстве случаев главным фактором является вода, воздействие которой меняет состояние грунта и его прочностные характеристики [52, 53].
Высокие насыпи, расположенные в зоне водопропускных труб, особенно подвержены воздействию воды, пропускаемой через сооружение и более всего при ее дефектном состоянии [6]. Но есть и факторы, не зависящие от состояния водопропускного сооружения. Так исследования, проведенные в ЦНИИ МПС [68], позволили наиболее ясно понять механизм, способствующий сплывам откосов высоких насыпей находящихся в зоне труб. Для сокращения строительной стоимости в типовых проектах водопропускные трубы располагают перпендикулярно к продольной оси насыпи, размещая вблизи русла водотока или ниже к борту долины. Старое русло засыпают местным грунтом или перекрывают перемычками, для изменения направления водотока. Прежние излучины и старицы постепенно зарастают. Однако они способствуют дополнительному увлажнению грунтов основания и тела насыпи в откосных частях при прохождении паводка, когда вода стекает не только по малому водотоку шириной
1-3 м, но и по дну всего лога. Обследование высоких насыпей, при участии автора, на направлениях: Орел-Елец, Рязань-Кустаревка, Тупик-Плеханов, Рыбное-Челябинск охватывающим три дороги Московскую, Куйбышевскую и Южно-Уральскую, позволило выявить из всего множества те, которые требуют проведения мероприятий по стабилизации и усилению [69, 70]. К стабильным были отнесены насыпи высотой 6-12 м, не стоявшие на учете как деформирующиеся в течение периода эксплуатации (рисунок 1.2). К насыпям требующим стабилизации и усиления относятся насыпи высотой более 12 м и все насыпи от 6 м и выше имевшие сплывные деформации в различные годы эксплуатации [71]. Рисунок 1.2 – Результаты обследования высоких насыпей Из всех высоких насыпей, нуждающихся в стабилизации и усилении, только 5 % находятся вне зоны искусственных сооружений: водопропускных труб и подходов к мостам. А это свидетельствуют, что деформации в виде сплывов и оползаний откосов характерны для высоких насыпей, расположенных именно в зоне периодического повышения влажности и порового давления в грунтах основания и подтопляемой части земляного полотна.
На отечественных железных дорогах традиционным способом усиления являются контрбанкеты, но уже с 80-х годов альтернативной заменой им стали армогрунтовые стены.
Так в конце 80-х годов под руководством В.В. Виноградова были запроектированы и реализованы армогрунтовые стены на Юго-Западной, Юго-Восточной, Донецкой и Октябрьской железных дорогах. Среди них можно отметить, усиление деформирующейся насыпи на 114 км участка Жмеринка-Могилев Юго-Западной железной дороги армогрунтовой стеной высотой 4 м, с облицовкой из железобетонных блоков размерами 2,38х0,58х0,30 м и армированием металлической сеткой длиной 4,5 м, покрытой расплавом битума марки БН-3. Усиление насыпи армогрунтовой стеной позволило сэкономить на переносе мельничного комбината расположенного рядом. Другой вариант устройства армогрунтовой стены на 96 км участка Киев-Мироновка, позволил сэкономить на переносе линии электропередач ВЛ-10 кВ [7]. Поэтому на этапе становления и развития армогрунтовых стен, в качестве конструкций для стабилизации и усиления земляного полотна, их основные преимущества сводились к следующим [7, 12, 74, 75]:
Постановка задач исследования и методы их решения
Интенсивные деформации армогрунтовых стен происходят в основном в период строительства и в начальный период эксплуатации, а затем отмечается тенденция к их затуханию. Наиболее критичными являются горизонтальные деформации. Они могут сопровождаться образованием на верху стены трещин отрыва и неравномерными по высоте, горизонтальными перемещениями лицевой части армогрунтовой стены. Развитие значительных по величине горизонтальных деформаций может привести к потере устойчивости армогрунтовой стены и конструкции в целом. Поэтому при проектировании необходимо ограничивать величину деформации. На характер и величину распределения горизонтальных деформаций в армогрунтовой стене оказывает влияние: 1) жесткость армирующего элемента; 2) длина армирования, т.е. ширина стены; 3) физико-механические свойства грунта заполнителя; 4) тип облицовки. К основным причинам или их комбинациям, приводящим к потере устойчивости или значительным деформациям армогрунтовых стен, требующим капитального ремонта, следует отнести: 1) недостаточную прочность грунта заполнителя; 2) недостаточную прочность и жесткость армирующего материала; 3) недостаточную длину армирования и ширину стены; 4) отсутствие или неэффективность работы дренажной системы.
Проблемами конструкций из армированного грунта и методам их расчета посвящены работы отечественных и зарубежных ученых: Виноградова В.В. [7], Ашпиза Е.С. [2, 13], Цернанта А.А. [8, 9], Стояновича Г.М. [63], Семендяева Л.И. [10, 11], Середина А.И. [12], Фроловского Ю.К. [13], Орлова Г.Г. [15, 16],
Основная задача армирующего элемента в грунте - восприятие растягивающих усилий и сдвигающих (касательных) напряжений, поскольку сам грунт практически не воспринимает растягивающие напряжения [4].
Рассмотрим более подробно механизм работы элементарного объема армированного грунта в условиях трехосного сжатия. При приложении главных напряжений а± а3 происходят деформации связанные с изменением объема и формы образца: поперечного сжатие Sv и продольного растяжение 0,SSh (рисунок 1.24). При этом в армированном грунте продольное растяжение происходит как за счет растяжения самой арматуры, воспринимающей растягивающие усилия, передаваемые ей через грунт и имеющей определенную жесткость, так и за счет перемещения самого грунта относительно арматуры. Перемещение грунта по армирующему элементу, обусловлено шероховатостью и геометрией ее поверхности. При этом у армированного грунта деформации связанные с изменением объема и формы образца значительно меньше, в сравнении с неармированным грунтом [91]:
В случае неармированного грунта при действующих главных напряжениях а± и а3, грунт постоянно деформируется, при этом возрастают касательные (сдвигающие) напряжения 0,5 (а1 — а3) и его разрушение происходит, когда сдвигающие напряжения приближаются к пределу прочности грунта на сдвиг, прочности Мора - Кулона. В случае армированного грунта, чтобы вызвать разрушение необходимо большее по величине главное напряжение аг, что связано с появлением дополнительного напряжения Лбт3, от введения армирующего материала. В этом случае, касательные напряжения выражаются зависимостью
Таким образом, можно отметить, что армированный грунт обладает большей прочностью и имеет меньшие деформации, связанные с изменением объема и формы образца в сравнении с неармированным грунтом.
На основании проведенного анализа отечественных и зарубежных методик, можно выделить основные этапы расчета армогрунтовых стен для усиления земляного полотна [74, 75, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97]: 1) проверка общей и местной устойчивости сооружения армогрунтовая стена -земляное полотно - основание; 2) проверка внешней устойчивости армогрунтовых стен включающая: а) устойчивость стены против сдвига по поверхности основания; б) устойчивость стены против сдвига по первому армирующему элементу; в) устойчивость стены против опрокидывания; г) оценка несущей способности основания стены; 3) проверка внутренней устойчивости армогрунтовых стен включает: а) проверка прочности армирующего элемента на разрыв; б) проверка прочности заделки армирующего элемента на выдергивание из грунта за поверхностью обрушения; 4) проверка по второй группе предельных состояний по деформациям: а) расчет осадки (консолидации) армогрунтовой стены; б) расчет деформаций - горизонтальных перемещений лицевой части армогрунтовой стены. В случае если армогрунтовая стена расположена в зоне сейсмической активности, все вышеперечисленные расчеты выполняются с учетом сейсмического воздействия. Рассмотрим более подробно существующие методические и методологические основы проектирования и расчета армогрунтовых стен. При этом за основу принимается существующая методика, изложенная в ТУ по применению габионов для усиления земляного полотна (далее ТУ).
Армогрунтовыми стенами считаются конструкции с углом отклонения лицевой части от вертикали до 20 градусов [91]. На первом этапе проектирования необходимо назначить первоначальные размеры сооружения, то есть высоту H и как функцию от нее ширину L. В ТУ [74] рекомендуется принимать минимальную ширину армогрунтовой стены 0,7 H (где H – высота сооружения). Зарубежный опыт проектирования, строительства и эксплуатации показал, что минимальная ширина стены (определяемая по длине армирования) должна составлять не менее 0,6 H ….0,7 H (рисунок 1.25) [91, 95].
Проектируются армогрунтовые стены и с меньшей шириной. Tateyama запроектировал армогрунтовую стену высотой 5 м и шириной 0,45H армированную геосинтетическими материалами. Протяженность стены составила около 930 м, по верху стены проходит железнодорожное сообщение. Проводимый в течение 1,5 лет мониторинг показал хорошее поведение конструкции [94].
После определения с первоначальными геометрическими размерами стены выполняется проверка по первой группе предельных состояний.
Проверка общей и местной устойчивости конструкции армогрунтовая стена-земляное полотно-основание проводится с использованием следующих расчетных моделей: отечественных Шахунянца (согласно ТУ [75]) и зарубежных Ordinary, Bishop, Janbu, Morgenstern-Price [67, 98]. Данный этап проверки позволит оценить, как общую, так и местную устойчивость насыпи при выбранных размерах армогрунтовой стены.
Основные аспекты моделирования граничных условий в испытаниях на выдергивание геосинтетических материалов из грунта
Для понимания механизма взаимодействия на поверхности грунт – геосинтетический материал проводят испытания на выдергивание. Испытания на выдергивание должны моделировать реальные условия работы геосинтетического материала в грунте.
Для выбора конструктивной схемы стенда, правильного масштаба модели, размеров оборудования для проведения испытаний и сведения к минимуму влияния граничных условий был выполнен анализ аналогичных результатов исследований.
В работах [34, 35, 36, 37, 101] указывается, что трение об переднюю стенку испытательного короба при выдергивании геосинтетического материала может существенно влиять на результаты испытаний. В таблице 2.1 представлены варианты мероприятий, позволяющие снизить влияние этого трения на результаты испытаний. Анализ результатов исследований, выполненных для решения этой проблемы, противоречив.
Так Farrag установил, что максимальная выдергивающая сила зафиксирована при длине рукава 20 см (схема 2 таблица 2.1) и она примерно на 20% больше, чем при длине 30 см [34]. Однако Lopes и Ladeira получили значение максимальной выдергивающей силы без рукава (схема 1 таблица 2.1) на 10 % больше, чем при испытаниях с рукавом длиной 20 см [37]. Таблица 2.1 – Варианты мероприятий по снижению трения по передней стенке на результаты испытаний
Результаты моделирования методом конечных элементов, выполненные Dias [102], для оценки влияния рукава на выдергивающую силу показали, что его наличие дало выдергивающую силу больше, чем использование смазки.
Еще одна схема снижения влияния трения о переднюю стенку – это испытание армирующего элемента на выдергивание внутри короба (схема 3 таблица 2.1). Испытания, выполненные Palmeira [36], показали небольшую разницу в величине максимальной выдергивающей силы.
В свою очередь в ASTM D6706-01 [103] и BS EN 13738:2004 [104] указывается на необходимость иметь в конструкции прибора рукав длиной 20 см. В своей работе Bathurst R.J. [30] после проведения статистической обработки 48 испытаний на выдергивание получил, что статистически значимого отклонения за счет наличия или отсутствия рукава не обнаружено.
На величину выдергивающей силы также влияет и способ приложения вертикальной нагрузки. Приложение вертикальной нагрузки на образец грунта через жесткий штамп, как отмечается в работе [35], увеличивает величину выдергивающей силы. Это объясняется тем, что вертикальная нагрузка от плиты вводит граничные условия, что сдерживает дилатансию грунта, а, следовательно, приводит к увеличению выдергивающей силы. Воздействие жесткого штампа на величину выдергивающей силы зависит и от толщины слоя грунта над армирующим материалом, уменьшаясь с его увеличением.
Основными параметрами при испытаниях на выдергивание являются размеры модели грунт – геосинтетический элемент, а, следовательно, и размеры испытательного короба: длина, ширина, высота.
Lopes и Ladeira провели исследование влияния длины и ширины образца, а также толщины грунта на величину выдергивающей силы. Они установили, что выдергивающая сила увеличивается с увеличением длины образца и уже с длины 0,65 м ее изменения не значительны. Варьирование шириной в диапазоне от 0,33 до 0,6 м показало минимальное ее влияние на величину выдергивающей силы. Однако установлена тенденция к увеличению сопротивления выдергиванию, при увеличении ширины георешетки. Исследование толщин модели грунт – георешетка в диапазоне от 0,4 до 0,6 м показало, что в этом диапазоне нет значительного влияния высоты грунта на выдергивающую силу. При этом сопротивление выдергиванию уменьшается, по мере увеличения толщины грунта. Минимальная толщина грунта должна составлять не менее 0,3 м [37]. регламентируются следующие минимальные размеры испытательного короба для выдергивания длина 1,5 м, ширина 0,6 м и высота 0,3 м. В свою очередь в ASTM D6706-01 [103] минимальные размеры (длина; ширина; высота) должны составлять 610х410х300 мм. На основании проведенного анализа была разработана конструкция лабораторного стенда, для проведения испытаний на выдергивание геосинтетического материала из грунта.
Оценка влияния конструктивных параметров армогрунтовых стен на общую устойчивость и деформативность
Развитие значительных по величине горизонтальных деформаций может привести к потере устойчивости армогрунтовой стены или конструкции в целом, а также к необходимости проведения работ по ее реконструкции. Поэтому при проектировании рекомендуется ограничивать величины деформаций.
Для установления величин горизонтальных перемещений лицевой части стены, при которых произойдет потеря устойчивости конструкции, выполним расчеты по двум группам предельных состояний.
Для высоты стены выбраны три уровня варьирования 6, 9 и 12 м (высота стены измеряется от верха фундамента). Выбор высот основывается на том, что крутизна откосов насыпей согласно СТН Ц 01 - 95 [140] изменяется именно на высотах 6 и 12 м. Ширина стены в зависимости от высоты также имеет три уровня варьирования 0,6 Я; 0,8 Я и 1Н. Угол отклонения облицовки от вертикали равен 0, 4 и 10 градусов. Прочностные свойства грунта заполнителя армогрунтовой стены следующие: угол внутреннего трения имеет три уровня варьирования 28, 34 и 40 градусов, при постоянной величине сцепления 2 кПа. Зависящий в большей степени от типа несвязного грунта, чем от типа георешетки коэффициент взаимодействия при выдергивании / в исследовании определяется зависимостью (2.9), полученной автором в предыдущей главе:
Поскольку мы выполняем исследование для двух групп предельных состояний, то в качестве характеристик геосинтетического материала используем долговременную прочность Rt, кН/м (первое предельное состояние) и осевую жесткость ЕА кН/м (второе предельное состояние). Долговременная прочность Rt и осевая жесткость ЕА геосинтетического материала подбирается по таблице 4.3 в зависимости от высоты стены, т.е. величин действующих нагрузок.
Параметрическое исследование выполняется для армогрунтовых стен устраиваемых при усилении строящихся насыпей и воспринимающих нагрузку от подвижного состава. Расчетная схема (рисунок 4.2) и остальные параметры конструкции приняты из предыдущего параграфа.
Расчет общей устойчивости земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной выполняется в программном комплексе GeoStudio SLOPE/W по методу Бишопа с круглоцилиндрической поверхности смещения, без учета напряженно-деформированного состояния [143]. При расчете устойчивости в модели учитывается: величина долговременной прочности геосинтетического материала и коэффициента взаимодействия при выдёргивании /в (рисунок 4.4). Результаты расчетов коэффициента общей устойчивости ку для земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной приведены в Приложении 5.
Расчет общей устойчивости по методу Bishop s с круглоцилиндрической поверхностью смещения Численное моделирование проводится при послойном возведении насыпи усиленной армогрунтовой стеной с толщиной слоя 1,5 м. На последней стадии прикладывалась статическая поездная нагрузка. Все этапы строительства выполняются с использованием типа расчета Plastic drained. Результаты численного моделирования напряженно-деформированного состояния земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной методом конечных элементов на основе упругопластической модели Мора – Кулона (рисунок 4.5) приведены в Приложении
Для оценки влияния исследуемых параметров на величину максимального горизонтального перемещения лицевой части Дхг армогрунтовой стены выполнен множественный регрессионный анализ, с получением линейной регрессии вида:
Таким образом, зависимости (4.12) и (4.13) могут быть добавлены в существующую методику, в части предварительного прогноза влияния конструктивных параметров (высота и ширина стены, угол отклонения лицевой части от вертикали, угол внутреннего трения грунта, долговременная прочность и осевая жесткость геосинтетического армирующего материала) армогрунтовой на ее устойчивость и деформативность.
Величина горизонтальной деформации єг определяется как отношение величины максимального горизонтального перемещения лицевой части армогрунтовой стены Лхг к ее ширине L:
Для обоснования величины допустимой деформации были сопоставлены значения коэффициента общей устойчивости ку и максимальной горизонтальной деформацией лицевой части армогрунтовой стены Лхг, полученные при одних и тех же параметрах конструкции (рисунок 4.6).
При построении зависимостей были использованы следующие коэффициенты надежности по грунту [144]: в расчетах по деформациям уд=1, в расчетах устойчивости, для угла внутреннего трения песчаных грунтов уд=1,1. Зависимости построены для различных по высоте армогрунтовых стен 6,9 и 12 м.
Критерию устойчивости земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной у = 1,20 соответствует величина горизонтальной деформации в диапазоне от 1,35 до 1,55 %. За допустимую горизонтальную деформацию армогрунтовых стен для усиления земляного полотна рекомендуется принимать минимальную величину в полученном диапазоне, равную [єг] = 1,35 Сопоставление коэффициента общей устойчивости ку земляного полотна, усиленного армогрунтовой стеной с горизонтальной деформацией єг ее лицевой части Общее условие, не превышения величины горизонтальной деформации лицевой части армогрунтовой стены допустимой, имеет вид:
По рекомендованной величине допустимой горизонтальной деформации определим минимальные значения осевой жесткости геосинтетического материала, в зависимости от принятых характеристик прочности грунта заполнителя. Для этого построим зависимости величин горизонтальных деформации от осевой жесткости геосинтетического материала, для различных типов грунтов (рисунок 4.7, 4.8). На графиках черной линией ограничивается величина допустимой горизонтальной деформации. Также для оценки влияния статической поездной нагрузки на величину деформаций, а, следовательно, и на жесткость геосинтетического материала, армогрунтовые стены были разделены на те к которым она приложена и на которых она отсутствует.
