Бесплатный по России: 8 (800) 500-28-01
Пн-Пт, с 9:00 до 18:00 (Мск)

Расчетные методы при применении объемных георешеток в дорожном строительстве

Разработанные в 60-е годы во Франции объемные пластиковые георешетки стали широко применяться в 80-х годах в США, Канаде, Израиле и некоторых европейских странах. В России начало использования этих конструкций в дорожном строительстве относится к началу XXI века. Объемные георешетки выгодно отличаются от рулонных геосинтетиков (геотекстиля, геосеток) тем, что они структурируют несвязные материалы, заключенные в ячейки. Стенки ячейки препятствуют сдвигу в материале, помещенном в нее, придают ему новые свойства.

Георешетка

В настоящее время объемные георешетки с заполнителем наиболее часто применяют в конструкциях дорожных одежд и для укрепления поверхности откосов насыпи.

В 2000 году на промысловой дороге на территории газового месторождения «Заполярное» было осуществлено опытное строительство с применением в качестве покрытия переходного типа перфорированной объемной георешетки с тремя вариантами заполнителя: песком, щебнем и их комбинацией, в которой ячейки заполнялись песком, а защитный слой над ними толщиной 3–5 см выполнялся из щебня. Поверхность откосов насыпи укреплялась при помощи пространственной георешетки, заполненной песком и торфопесчаной смесью. Научным сопровождением строительства занимался Союздор-НИИ, участвуя в конструировании дорожных одежд и проводя наблюдения.

По результатам мониторинга в процессе эксплуатации за несколько лет было установлено, что покрытие, сооруженное с применением пространственной георешетки, находится в хорошем состоянии, колея не образуется. Исходя из этого, решение рекомендовали к широкому применению.

В период опытного строительства объемную георешетку с заполнителем применяли без расчета и назначали ее параметры (высоту стенки, размер ячейки, наличие перфорации), исходя из иностранного опыта и рекомендаций зарубежных производителей. В частности, при укреплении поверхности откосов с заполнителем для закрепления этой конструкции использовали два металлических анкера на 1 м2.

Однако для широкого применения георешетки необходимо было разработать методы расчета. В частности, вопрос об определении необходимого количестве анкеров был решен достаточно просто — на основе решения задачи о равновесии тела на наклонной плоскости (закон Кулона). Исходя из угла наклона откоса к горизонту и коэффициента трения, зависящего от сцепления и внутреннего трения грунта откоса, несложно определить сдвигающую силу, а значит, и необходимую компенсирующую силу. Зная несущую способность одного анкера, легко рассчитать их требуемое количество. А расчет несущей способности анкера по материалу и по грунту выполняется как расчет сваи на горизонтальную нагрузку.

Так, расчеты показали, что при заложении откоса более пологого, чем 1:2 — 1:3, что имеет место при строительстве дорог в зоне вечной мерзлоты, даже при неблагоприятных условиях, когда трение и сцепление грунта откоса минимальны, применение несущих анкеров не требуется: объемная георешетка с заполнителем удерживается на поверхности откоса за счет силы трения. В этом случае требуются анкеры только для фиксирования георешетки по ее периметру.

Для выполнения расчетов дорожной одежды по прочности в соответствии с действующими нормативными документами (ОДН 218.046-01) было необходимо определить модуль упругости объемной георешетки с помещенными в ее ячейки наиболее часто применяемыми материалами — песком и щебнем. С этой целью в течение ряда лет некоторыми исследовательскими организациями проводились испытания георешетки с заполнителем. Так, в 2002 году в грунтовом канале СоюздорНИИ было осуществлено определение модуля упругости песка, помещенного в объемную георешетку высотой 10 см, и модуля упругости такого же песка для сравнения. Нагрузку на георешетку с заполнителем передавали через штамп гидравлическим домкратом ступенями: 0,13, 0,19, 0,24 и 0,3 МПа. После достижения каждой из них нагрузки выдерживали 30 с и производили полную разгрузку. Отсчет снимали по индикатору после подачи нагрузки и при разгрузке. По разности показаний определяли на каждой ступени упругую составляющую полной деформации.

В итоге был получен следующий результат: при помещении песка в пространственную георешетку модуль упругости возрастает в 4 раза. Это существенно превышало результаты, полученные другими авторами. Следует отметить, что ввиду ограниченных возможностей параллельных испытаний было проведено недостаточно.

 

Авторство Год проведения Место проведения испытаний Тип георешетки; размер ячейки, см; высота, см Коэффициент увеличения модуля упругости композита по отношению к исходному материалу (песку), k
26 ЦНИИ МО 2000 Полигон 20 × 20; 20 1,74
С. Матвеев 2002 А/д Ханты-Мансийск — Нягань 20 × 20; 15 1,3–1,4
СоюздорНИИ 2002 Грунтовый канал СоюздорНИИ 20 × 20; 10 4

 

В 2005 году в СоюздорНИИ были продолжены работы по определению модуля упругости объемной георешетки с двумя видами заполнителей — песком и щебнем. Для испытаний использовали георешетку высотой 15 см, размером по площади 3,5×3,5 м. Порядок проведения экспериментов был тот же, что и в предыдущих сериях. Предварительно был определен модуль упругости песка-заполнителя, который составил 100 МПа.

Испытания георешетки с песком выполнялись в пяти точках, в каждой из них по пять, в результате чего получилось 25 кривых. На основе этих данных были построены линия средних значений и линия наименьших квадратов. На двух последних участках кривой модуль упругости составил 360 МПа, на всей кривой — 240 МПа, который и рекомендован для выполнения расчетов. Коэффициент увеличения модуля упругости песка при помещении его в ячейки георешетки составляет k = 240 МПа/100 МПа = 2,4.

Для сравнения: во время испытаний, выполненных СоюздорНИИ в 2002 году, были получены четыре кривые, при этом для расчета модуля упругости использовались два последних отрезка кривых, как наиболее близких к прямым.

Аналогичные испытания выполнялись со щебнем. Их результаты показали, что модуль упругости щебня при помещении его в ячейки пространственной георешетки не увеличивается. На первый взгляд это противоречило здравому смыслу. Было очевидно, что при помещении щебня в ячейки в покрытии не образуется колеи, стенки георешетки препятствует этому.

При этом ряд авторов считает, что природа сцепления щебня заключается в появлении у него явления зацепления острых граней друг за друга, приводящего к возникновению условного удельного сцепления, которое получило название «удельное зацепление» (Ко-лос А. Ф., Осипов Г. В., Клищ С. А., Леус А. С., Камин-нык О. А. «Исследование прочностных свойств щебня, применяемых для балластного слоя»).

Но если это так, гладкие стенки ячейки георешетки скорее уменьшат сцепление, чем увеличат его. Так в чем же причина отсутствия колеи? Ни один параметр, используемый в расчете дорожной одежды на прочность, при помещении щебня в ячейки георешетки не изменился. Увеличением веса за счет георешетки можно было пренебречь, поскольку оно составляло менее 1%.

Вопрос некоторое время оставался открытым. Наконец пришло понимание того, что георешетка препятствует перемещению несвязного материала, не только помещенного в ее ячейки, но и того, который находится непосредственно под ней, и начинает работать исключительно при наступлении фазы нарушения устойчивости, то есть когда предельное равновесие в грунте (материале) нарушено.

Как известно, линии скольжения при сдвиге в грунтовом массиве расположены под углом к горизонту в 45°.

Схема усилий на грунт

Перемещению несвязного грунта основания препятствует георешетка с заполнителем.

Расчет на сдвиг слабосвязных слоев дорожных одежд и грунтов земляного полотна основан на теории предельного равновесия и исходит из условия недопущения сдвига, то есть условие прочности считается выполненным в том случае, когда сдвига не происходит. Исходя из этого, назначаются параметры — толщина слоя либо прочностные характеристики материала.

В этой фазе, в период предельного равновесия, георешетка не включается в работу, поэтому в расчете на сдвиг, выполняемом в соответствии с указанным выше ОДМ, ее воздействие на прочность не может быть учтено.

Для разработки методики расчета было использовано решение задачи о критической нагрузке на грунт по условию обеспечения общей устойчивости, полученное В. Г. Березанцевым. Им была предложена формула, позволяющая определить критическую нагрузку (такую, при которой происходят сдвиги, но общая устойчивость сохраняется) при наличии боковой пригрузки, обеспечивающей устойчивость сооружения.

В дорожной одежде георешетка с заполнителем рассматривается в качестве пригруза, препятствующего сдвигу, а нагрузка от колеса — как критическая нагрузка. На основе формулы В. Г. Березанцева вычисляют нагрузку, необходимую для противодействия сдвиговому усилию от колеса, то есть усилие, которое должна выдержать георешетка с заполнителем. Исходя из этого назначают параметры: высоту и прочность стенки (или шва, если она меньше прочности стенки.

Для определения параметров георешетки используют условия прочности ее стенки на растяжение:

Q* ≥ K3Q1*;

Q* — допустимая величина растягивающего усилия в стенке георешетки на единицу длины, устанавливается производителем, кг/см;

K3 — коэффициент запаса;

Q1*  — суммарное растягивающее напряжение от действующей нагрузки на единицу длины стенки георешетки, кг/см.

Суммарное растягивающее напряжение определяют по формуле:

Qo* = Qc* + Qи*;

Qc* — растягивающее напряжение в стенке георешетки, возникающее при сжатии заполнителя нагрузкой от колеса, на единицу ее длины, кг/см;

Qи* — растягивающее напряжение в нижних волокнах георешетки при изгибе, на единицу ее длины, кг/см.

Требуемые параметры, рассчитанные на основе разработанной нами методики, показали хорошую сходимость с реальными параметрами георешетки, примененной на опытном участке в Заполярье.

Из этого следует, что в дорожных одеждах дорог высоких категорий, рассчитанных с коэффициентом прочности на сдвиг Kпс,пр  = 1,1, применять георешетку, заполненную щебнем, в качестве несущего основания нецелесообразно, поскольку она не будет работать в условиях отсутствия сдвиговых напряжений, превышающих предельные:

Kпс,пр = Qдоп/Qрасч;

Qдоп и Qрасч — соответственно расчетные действующие и допустимые напряжения (нормальные или касательные) от расчетной нагрузки.

Если это оправдано экономически, в качестве несущего основания дорожной одежды дороги I–II технической категории может быть применена георешетка, заполненная песком, что позволит увеличить модуль упругости песка в 2,4 раза.

При использовании георешетки с заполнителем (щебнем либо песком) в качестве покрытия переходного типа на дорогах низших категорий (например, на промысловых, а также с нестабильным земляным полотном), правильно подобранные ее параметры, назначенные на основе расчетов, обеспечат предотвращение образования колеи и существенное увеличение срока службы покрытия.

 

Е. С. ПШЕНИЧНИКОВА, к. т. н., ведущий научный сотрудник;И. Ж. ХУСАИНОВ, к. т. н. (АО «ЦНИИС»)

 

24 апреля 2019 г.
ООО «Геополитекс» 660004, г. Красноярск, Заводской проезд, д.2г 8 (800) 500-28-01 8 (800) 500-28-01
Приложить файл: