Исследование прочностных характеристик песка, армированного дискретными волокнами полипропилена

УДК 624.131

A.C. Кузнецова, В.Г. Офрихтер, А.Б. Пономарев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕСКА, АРМИРОВАННОГО ДИСКРЕТНЫМИ ВОЛОКНАМИ ПОЛИПРОПИЛЕНА

Представлены результаты испытаний трехосного сжатия песчаных образцов, усиленных дискретными волокнами полипропилена. Выполнен анализ и доказано положительное влияние фибрового армирования на основные характеристики грунта. Проведено численное моделирование поведения фибропеска в теле земляного сооружения.

Ключевые слова: фибровое армирование, песчаный грунт, полипропилен, насыпь, численное моделирование.

Внедрение в грунт различных природных и геосинтетических добавок для улучшения свойств грунтового массива нашло широкое применение в различных областях строительства. Армирование используют для повышения несущей способности и устойчивости грунтов, снижения осадок и линейных деформаций. Армирующие элементы обладают высокой прочностью, хорошо работают на сжатие или растяжение, имеют высокое сцепление и трение с грунтом. Для изготовления армирующих геосинтетических материалов используют в основном полипропилен, полиамид, полиэфир, полиэтилен, стекловолокно, полиэстер, поливинилалкоголь, полиолефины (смеси полиэтилена и полипропилена). Наряду с полимерными геосинтетиками для армирования применяются натуральные природные материалы (кокосовое волокно, сизаль, джут) [1].

В зависимости от физико-механических характеристик грунтов и задач, которые решаются при армировании, выбирается характер расположения армирующих элементов и технология их выполнения. Положение арматуры в грунтовом массиве может быть вертикальным, горизонтальным, наклонным в одном направлении, наклонным в двух и более направлениях, прерывистым и в виде различного ряда ячеистых структур [2]. В последнее время в российской и зарубежной науке большое внимание уделяется изучению СВОЙСТВ НОВОГО КОМПОЗИТ-

ного материала - фиброгруита, в грунтовую матрицу которого введены короткие отрезки дискретных волокон, равномерно распределенные по всему объему и имеющие произвольную ориентацию. Дискретные элементы вводятся в массив грунта для придания ему оптимального гранулометрического состава и улучшения его характеристик. Фиброарми-рование имитирует поведение корней растений и приводит к повышению прочностных и деформативных свойств грунта [3].

Существует много работ, посвященных дискретному армированию грунтов природными и синтетическими материалами, в большинстве своем это зарубежные источники (Тв. Zornberg, Б.М. Не^1, А. Б1ашЬга), тем не менее данный материал до сих пор не нашел широкого применения. Внедрению фиброгрунта в промышленных целях мешает отсутствие соответствующих рекомендаций, инструкций по расчету и применению тех или иных видов фиброармирования.

Целью настоящего исследования является оценка влияния фибрового армирования на свойства грунта для возможности дальнейшей разработки технологии устройства оснований с повышенной несущей способностью.

В качестве инструмента исследования выбраны лабораторные исследования по методу трехосного сжатия. Трехосное нагружение позволяет наиболее достоверно смоделировать напряженно-деформированное состояние в массиве грунта, поэтому полученные по результатам трехосных испытаний данные о свойствах грунтов являются более точными по сравнению с испытаниями на плоский сдвиг и одноосное сжатие [4]. Более того, современная нормативная литература для сооружений I и II уровня ответственности рекомендует определять характеристики грунтов по результатам трехосных испытаний [5].

Достоверность результатов научной работы подтверждается использованием сертифицированного оборудования и трехкратным повторением каждого из экспериментов.

Для исследования влияния фибрового армирования на свойства несвязного грунта был взят однородный речной песок нарушенного сложения. Физические характеристики песка представлены ниже.

Характеристики песчаного грунта Значения

По гранулометрическому составу по ГОСТ 25100-95 Песок мелкозернистый

По однородности по ГОСТ 25100-95 Песок однородный

Удельный вес грунта у, кН/м3 16,4

Характеристики песчаного грунта Значения

Удельный вес твердых частиц уя кН/м3 26,0

Удельный вес сухого грунта у* кН/м3 16,3

Пористость е 0,6

Влажность w, % 0,28

Коэффициент фильтрации К*, м/сут 2,35

Угол естественного откоса у, град 34

В качестве дискретного армирования было принято полипропиленовое волокно. Технические характеристики материала приведены ниже. Эффективность фибрового армирования полипропиленовым волокном, по сравнению с базальтовым, была доказана ранее [6].

Технические характеристики полипропилена:

Наименование показателя Значения

Длина отрезка, мм 6

Диаметр элементарного волокна, мкм 20

Прочность на растяжение, МПа 1,0

Удлинение до разрыва, % 150-250

Серия испытаний трехосного сжатия была проведена с образцами, армированными полипропиленовой фиброй с небольшим объемным процентом армирования (0,5 и 1,5 %) и с увеличенным количеством армирующих волокон (3, 4 и 5 %). Для возможности сравнения полученных результатов были точно определены массы навесок песчаного грунта и полипропилена в зависимости от объема образца для испытаний, удельного веса материалов и процента армирования. Массы навесок песка и полипропилена (ПП) приведены в таблице.

Массы навесок песка и полипропилена в зависимости от процента армирования

Процент армирования Масса песка, г Масса ПП, г

0 145 -

0,5 144,3 0,44

1,5 142,8 1,32

3 140,7 2,32

4 139,2 3,09

5 138 3,87

Программа испытаний была составлена в соответствии с методикой ГОСТа [7]. В результате получили серию из 54 экспериментов (шесть различных комбинаций материалов при боковом давлении 100; 200; 300 кПа с трехкратным повторением).

Сравнительная диаграмма усредненных значений напряжений и деформаций песчаного образца и образцов с различным содержанием полипропилена при боковом давлении 100 кПа представлена на рис. 1.

Рис. 1. График зависимости вертикальных деформаций от вертикальных напряжений при боковом давлении 100 кПа образцов, армированных полипропиленовой фиброй (ПП) в сравнении с неармированными образцами: £ - абсолютная вертикальная деформация; а1 - вертикальное напряжение

Результаты испытаний показывают, что на начальном участке диаграммы фиброгрунт имеет большие по сравнению с чистым песком вертикальные деформации, что может быть следствием перекомпоновки структуры фиброгрунта в поле начальных напряжений. При более высоких уровнях нагрузки отчетливо прослеживается эффективность произвольного армирования. С увеличением процента армирования возрастает величина разрушающей нагрузки, повышается несущая способность материала (значения разрушающей нагрузки образцов по результатам трехосных испытаний приведены ниже). По графику можно четко проследить, что с возрастанием содержания армирующих волокон в песке увеличивается и протяженность участка линейной деформируемости. Фиброгрунт при армировании 5 % на дос-

таточно большом интервале значений напряжения а1 до вертикальной деформации £ порядка 8 мм работает по линейной зависимости. Значения вертикальных деформаций, при которых происходит разрушение, также возрастают (5,76 мм для образца с 3%-ным армированием; 10,72 мм для образца с армированием 4 %). Образец, в котором содержание армирующего материала составило 5 %, не удалось разрушить при достижении стандартного предельного уровня относительной вертикальной деформации 15 %, заложенного в программе испытаний в качестве терминального критерия.

Разрушающая нагрузка по результатам трехосных испытаний песчаных образцов, армированных полипропиленом, при всестороннем давлении 100 кПа:

Образцы Разрушающая нагрузка о1, кПа

Неармированные 600

С полипропиленом 0,5 % 677

С полипропиленом 1,5 % 875

С полипропиленом 3 % 885

С полипропиленом 4 % 1033

С полипропиленом 5 % 1439

На рис. 2 представлены круги Мора, построенные в зависимости от усредненных значений всестороннего давления с3 и разрушающей нагрузки а1 для песчаных образцов и образцов, армированных полипропиленовым волокном в количестве 5 об. %. Касательные, проведенные к полуокружностям, отсекают на осп ординат отрезок, соответствующий удельному сцеплению грунта, а их угол наклона равен углу внутреннего трения песка и его композита. На диаграмме видны завышенные значения кажущегося сцепления (скаж = 36 кН/м2) и угла внутреннего трения (ф = 39°) песчаного грунта. Это может быть объяснено общим положением о результатах трехосных испытаний: дренированные испытания ведут к несколько более высоким значениям с иф вследствие затраты работы на увеличение объема образца в процессе сдвига и вследствие меньших деформаций при разрушении. Более того, для получения абсолютных значений характеристик грунтов по результатам трехосных испытаний необходимо учитывать влияние резиновой оболочки, в которой находится грунт во время испытаний, ввиду создаваемого ею ограничения для образцов.

По диаграмме отслеживается существенный рост прочностной характеристики грунта - кажущегося удельного сцепления скаж. С увеличением содержания волокон увеличивается площадь поверхности взаимодействия волокон и песка, возрастает величина кажущегося удельного сцепления и повышается сопротивление грунта сдвигу. Этот факт подтверждается характером и формой разрушения образца. Для неармированного образца характерно хрупкое разрушение, которое происходит по выраженной поверхности среза (рис. 3, а), в то время как армированный образец, плавно накапливая деформации, после испытания принимает бочкообразную форму (см. рис. 3, б).

Рис. 2. Круги Мора, построенные по результатам серии испытаний при а3 = 100; 200; 300 кПа: а - для неармированных образцов; б - для образцов, армированных

полипропиленом

Для моделирования поведения песчаного грунта, армированного дискретными волокнами полипропилена, в теле земляного сооружения был выбран расчетный комплекс РЬАХК. Вопрос возможности применения фибропеска в программе РЬАХК был решен на тестовом примере насыпи, нагруженной равномерно распределенной нагрузкой.

Проектируемая насыпь имела длину 20 м, высоту 5 мс углом заложения откоса 45°.

Насыпь была рассмотрена в двух вариантах: песчаная и из песка, армированного полипропиленом в количестве 5 об. %. Свойства материалов для ввода входных параметров в программу были получены по результатам проведенных испытаний по схеме трехосного сжатия.

б

Рис. 3. Форма образцов после разрушения: а - неармированных; б - армированных полипропиленом

Рассмотрим первый случай - насыпь на несжимаемом основании. К насыпи была приложена равномерно распределенная нагрузка А-А. Расчетная схема показана на рис. 4.

По результатам расчетов в программном комплексе разрушение песчаной насыпи наступило при прикладывании вертикальной нагрузки 588 кПа, фибропесчаной - при 3564 кПа. Были построены кривые зависимости полного вектора перемещений |U|, м, от эффективных

вертикальных напряжений &уу для точки 1, находящейся на поверхности верхнего основания насыпи на несжимаемом основании (рис. 5).

Рис. 4. Расчетная схема насыпи на несжимаемом основании

Рис. 5. График зависимости полного вектора перемещений |и| от эффективных вертикальных напряжений для песчаной и фибропесчаной насыпей

на несжимаемом основании

Кривые по результатам расчета в РЬЛХК совпадают с кривыми, полученными после испытаний трехосного сжатия. На диаграмме четко видно, что фиброгрунт имеет более высокую несущую способность. Упругую работу фиброгрунта при больших нагрузках подтверждает продолжительный линейный участок на диаграмме зависимости

перемещений от напряжений, в то время как для песка характерно пластичное поведение. Песчаная насыпь разрушается, получив небольшие деформации, при невысоких уровнях напряжений. Насыпь, армированная дискретными волокнами, способна нести большую нагрузку, плавно накапливая деформации.

Рассмотрим второй случай - насыпь, нагруженная равномерно распределенной нагрузкой на сжимаемом основании. Расчетная схема приведена на рис. 6.

Рис. 6. Расчетная схема насыпи на сжимаемом основании

При таком варианте расчета разрушение песчаной насыпи произошло при нагрузке 362 кН/м2, фиброгрунтовой - при нагрузке 475 кН/м2. На рис. 7 приведены кривые зависимости полного вектора перемещений |U|, м, от эффективных вертикальных напряжений &уу для точки 1,

находящейся на поверхности верхнего основания насыпи на сжимаемом основании.

На графике заметно развитие пластических деформаций у насыпи из песка, тогда как фибропесчаная насыпь работает в упругой области вплоть до разрушения. Такое свойство фиброгрунта делает возможной его работу под высокими нагрузками. Рассматривая его работу по линейному закону, можно предсказать поведение такого материала под нагрузкой, в то время как хрупкое разрушение, характерное для песка, будет опасно при эксплуатации.

Рис. 7. График зависимости полного вектора перемещений |и| от эффективных вертикальных напряжений а' для песчаной и фибропесчаной насыпей

на сжимаемом основании

Расчеты, проведенные в программном комплексе РЬЛХ18, в целом дают ту же картину, что была получена по результатам испытаний трехосного сжатия.

На основании проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Геосинтетические волокна повышают несущую способность грунта, причем на величину разрушающей нагрузки существенное влияние оказывает объемное содержание армирующих волокон в образцах.

2. Волокна, изменяя микроструктуру грунтового материала, предотвращают появление выраженной локализации деформаций и, следовательно, характерной плоскости среза.

3. Совместная работа произвольного армирования и частиц грунта способствует появлению у несвязного армированного грунта характеристики, свойственной связным грунтам, - кажущегося удельного сцепления - и увеличивает сопротивление сдвигу.

4. Значительный линейный участок на диаграмме зависимости деформаций от напряжений позволяет говорить о возможности применения фиброгрунта для строительства податливых сооружений и повышения надежности грунтовых оснований и земляных сооружений.

5. Результаты численного моделирования фиброармированных грунтовых конструкций подтверждаются экспериментальными данными, полученными по результатам трехосных испытаний.

Библиографический список

1. Hejazi S.M., Sheikhzadeh M. A simple review of soil reinforcement by using natural and synthetic fibers // Construction and Building Materials. -2012. - № 30. - C. 101-116.

2. Штоль T.M., Теличенко В.И., Феклин В.И. Технология возведения подземной части зданий и сооружений: учеб. пособие для вузов. -М.: Стройиздат, 1990.

3. Diambra A., Ibraim E. Fibre reinforced sands: experiments and modeling // Geotexiles and Geomembranes. - 2010. - № 28. - C. 238-250.

4. Сипидин В.П., Сидоров H.H. Исследование грунтов в условиях трехосного сжатия. - М.: Госстройиздат, 1963.

5. СП 22.13330.2011. Основания зданий и сооружений. Актуализированная редакция СНиП 2.02.01-83*. - М., 2011.

6. Кузнецова А.С., Офрихтер В.Г. Оценка прочности фиброармированного песка по результатам испытаний на трехосное сжатие // Вестник ПНИПУ. Урбанистика. - Пермь, 2012. - № 2. - С. 37-44.

7. ГОСТ 12248-96. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости. - М., 1996.

Получено 1.10.2012

A.S. Kuznetsova, V.G. Ofrikhter, A.B. Ponomarev

STRENGTH RESEARCH OF SAND REINFORCED BY DISCRETE POLYPROPYLENE FIBRES

This paper presents the results of triaxial tests of sand specimens reinforced by polypropylene discrete fiber. Analysis of fiber reinforcement was carried out and its positive effect on the basic soil characteristics was proved. Numerical modelling of behaviour fiber sand in an earthwork structure body is spent.

Keywords: fiber reinforcement, sand, PP, numerical modelling.

Об авторах

Кузнецова Алла Сергеевна (Пермь, Россия) - ассистент кафедры «Строительное производство и геотехника» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (e-mail: spstf@pstu.ru).

Офрихтер Вадим Григорьевич (Пермь, Россия) - канд. техн. наук, доцент кафедры «Строительное производство и геотехника» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (e-mail: spstf@pstu.ru).

Пономарев Андрей Будимирович (Пермь, Россия) - д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Строительное производство и геотехника» ФГБОУ ВПО ПНИПУ (e-mail: spstf@pstu.ru).

About the authors

Kuznetsova Alla Sergeevna (Perm, Russia) - assistant lecturer, Department of Building production and geotechnics, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: spstf@pstu.ru).

Ofrikhter Vadim Grigorievich (Perm, Russia) - Candidate of Technics, Associate Professor, Department of Building production and geotechnics, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: spstf@pstu.ru).

Ponomarev Andrey Budimirovich (Perm, Russia) - Doctor of Technics, Professor, Head of Department of Building production and geotechnics, Perm National Research Polytechnic University (e-mail: spstf@pstu.ru).