Упрочнение земляного полотна объемными армирующими конструкциями

5. Бычков, Е. Д. Количественная характеристика доступности в телекоммуникационных системах [Текст] / Е. Д. Бычков, В. В. Лендикрей, С. А. Батраков // Наука, образование, бизнес: Материалы регион. науч.-практ. конф. ученых, преподавателей, аспирантов, студентов, специалистов промышленности и связи, посвященной Дню радио. - Омск: Изд-во КАН, 2010. - С. 121 - 126.

6. Вешкурцев, Ю. М. Автоматизированные системы контроля и диагностики РЭС: Учебное пособие [Текст] / Ю. А. Вешкурцев, Е. Д. Бычков / Омский гос. техн. ун-т. - Омск, 2001. - 100 с.

7. Давыдов, П. С. Техническая диагностика радиоэлектронных устройств и систем [Текст] / П. С. Давыдов. - М.: Радио и связь, 1988. - 258 с.

УДК 624.138

С. А. Овчинников

УПРОЧНЕНИЕ ЗЕМЛЯНОГО ПОЛОТНА ОБЪЕМНЫМИ АРМИРУЮЩИМИ

КОНСТРУКЦИЯМИ

Использование объемных армирующих конструкций является эффективным методом для укрепления откосов и основной площадки земляного полотна, что подтверждается комплексом экспериментальных исследований. Выполнено численное и натурное моделирование процессов, связанных с упрочнением земляного полотна геокомпозитной структурой. Натурное моделирование насыпи выполнено методом эквивалентных материалов с использованием реальных грунтовых условий и нагрузок, идентичных по величине натуральным. Сравнение результатов численного и натурного моделирования показало высокую сходимость, что позволяет использовать полученные результаты при составлении методики проектирования.

Анализ статистических данных показывает, что сплавы откосов высоких насыпей остаются одним из преобладающих видов деформаций земляного полотна. Данные деформации во многом связаны с недостаточными прочностными свойствами грунтов, из которых сложено земляное полотно. В этой связи широкое распространение получают методы армирования грунтов земляного полотна.

Использование метода напорной инъекции при усилении земляного полотна позволяет предотвратить причину возникновения деформаций откосов и основной площадки земляного полотна, в то же время не позволяет эффективно бороться с деформациями откосов в поздней стадии их развития [1]. В случае использования напорной инъекции при усилении откосов, находящихся в состоянии предельного равновесия, существует значительная вероятность выхода раствора в зону грунта, сопряженную с потенциальной поверхностью обрушения.

В мировой практике дорожного строительства широко используется способ упрочнения основания насыпей путем устройства свайного поля с последующим покрытием его геосинтетическим нетканым материалом [2]. В этом случае в уровне подошвы насыпи происходит распределение нагрузки на отдельно стоящие вертикальные армирующие элементы через геосинтетический материал. Подобный принцип армирования можно реализовать также и в насыпных грунтах, без нарушения целостности грунтового массива. Сущность метода заключается в создании системы перекрестно расположенных армирующих элементов (сеток) в разных уровнях и последующей инъекции в узлы их пересечения связующего раствора (создание объемного армирующего каркаса). Данная конструкция позволит повысить прочностные и деформационные характеристики массива грунта, работающего как единая геокомпозитная структура [3]. При этом можно выполнить значительное разрежение точек инъекции раствора и в достаточной мере удалить их от потенциальной поверхности обрушения откоса.

Внедрение данного метода армирования земляного полотна возможно в результате раз-

120 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 3(15) 2013

= _

работки методики проектирования, основанной на натурном и численном моделировании, подтверждающем эффективность работы конструкции.

В части экспериментальных исследований выполнены работы по изучению различных армирующих конструкций. Моделирование выполнялось методом эквивалентных материалов с использованием геометрического масштаба 1:5. Выбранный масштаб моделирования позволил проводить исследования с использованием грунтовых условий и нагрузок, идентичных по величине натуральным.

В качестве базовой модели принята насыпь, имеющая в своем строении ослабленную зону и сформированную поверхность обрушения. Выполнены опыты по определению характера деформирования и величины разрушающей нагрузки для шести моделей насыпи:

- для базовой модели насыпи;

- для базовой модели, усиленной стержневым креплением с параллельным расположением стержней;

- для базовой модели, усиленной стержневым креплением с перекрестным расположением стержней;

- для базовой модели, усиленной объемным каркасом, состоящим из перекрестного стержневого крепления, объединенного в вертикальной плоскости линзами твердеющего раствора, с заделкой армирующих стержней в прочный массив грунта на величину 0,25Ь, где Ь - ширина ослабленной в поперечном сечении насыпи;

- то же при 0,5Ь;

- то же при 1,0Ь.

Основными факторами, определяющими эффективность работы той или иной конструкции крепления, явились изменения величин предельной нагрузки и деформации, происходящие в насыпи.

Основные результаты моделирования отображены в виде графиков перемещения задней грани штампа на рисунке 1.

120,05

А

СО

80,05

60,05 40,05 20,05 0,05

Л ( p

1

I 1 l 1

f, f t 7 / / f J / / e s a

/ t / i Y' é * T  Г К К Л r . i 1 r"' \

к ' ^ r~ r" .i ¡U « ^ < . t r" r- ->

—- опыт 1;  - опыт 2; — опыт 3;

—--опыт 4;

П - опыт 5; —• - опыт 6

о о

о —1

сГ

о

r"N О"

О ГО О"

О

о

LO

о

о

о од

с

о о

в\

ср

Рисунок 1 - График перемещения задней грани штампа

При выполнении расчетов армированной среды основное внимание уделено разработке расчетной схеме [4]. При этом особенно важно было достоверно описать пространственное положение армирующих элементов, характеристики материалов и параметры работы данной системы. Данным требованиям в полной мере отвечает программный комплекс Midas GTS2012.

№203(1з5) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 121

Выполнение расчетов включало в себя два основных блока. В первом блоке выполнялось моделирование насыпей, идентичных по своим параметрам моделям, испытанным в ходе проведения экспериментальной части исследования. Ключевой задачей данного блока расчетов являлось сопоставление результатов экспериментальных исследований и расчетных данных. Во втором блоке проведены расчеты полномасштабной дефектной насыпи, усиленной объемным армирующим каркасом. В результате проведенных расчетов определены значения перемещений, возникающих в армированной среде, величины напряжений в элементах армирующего каркаса, а также выполнен анализ эффективности работы данной системы армирования.

б

а

Рисунок 2 - Геометрические параметры моделей: а - модель насыпи без армирования; б - модель насыпи, армированной параллельно расположенными стержнями; в - модель насыпи, армированной перекрестно расположенными стержнями; г - модель насыпи, армированной перекрестно расположенными стержнями и массивами закрепленного грунта

Построение моделей первого блока исследований проводилось с использованием геометрических параметров, физико-механических свойств грунтов и параметров армирования, примененных при выполнении экспериментальных исследований. Построение грунтовой среды и массивов инъекционного закрепления выполнялось на базе модели идеально пластичной среды Кулона - Мора, использующей основные параметры пластичности - удельное сцепление (с), угол внутреннего трения (ф), коэффициент дилатансии (у), модуль Юнга (Е) и коэффициент Пуассона (у). Стержневая крепь выполнена эластичными линейными элемен-

122 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №,п3

тами круглого поперечного сечения, моделируемыми изотропным материалом, характериз у-ющимся модулем упругости (Е) и коэффициентом Пуассона (у).

Вертикальная нагрузка в виде сосредоточенной силы прикладывалась к квадратному штампу площадью подошвы 5 000 см2. Модель штампа задавалась как плоский эластичный элемент прямоугольного сечения из материала, работа которого также описывалась модулем упругости (Е) и коэффициентом Пуассона (у).

Выполненная корреляция результатов расчетов и экспериментальных исследований показала, что аппроксимированная траектория деформирования натурной насыпи дублируется аналогичной траекторией цифровой модели, при этом следует отметить закономерное смещение абсолютных величин деформаций цифровой модели в сторону их увеличения (рисунок 3). Данное обстоятельство указывает на формирование определенного профицита запаса прочности при расчете армированной среды. На основании этого сделан вывод о целесообразности применения данной методики расчета при проектировании крепления насыпей с использованием армирующего каркаса (сочетания стержневой крепи с массивами грунта, закрепленного напорной инъекцией).

0,02 0,04 0,06 0,08 0,12 МПа

£

£

0,00 мм 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00

0,00

мм

20,00 30,00 40,00 50,00 60,00

0,05 0,10 0,15 0,20 МПа 0,30

Р

0,06 0,12 0,18 0,24 0,30 МПа 0,48

0,00 1м0м,0 0 £ 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00

V

Р

0,00 1м0м,0 0 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00

Р

б

0,06 0,12 0,18 0,24 0,30 МПа 0,48

Р

а

в

г

Рисунок 3 - График средней осадки штампа: а - модель насыпи без армирования; б - модель насыпи, армированной параллельно расположенными стержнями; в - модель насыпи, армированной перекрестно расположенными стержнями; г- модель насыпи, армированной перекрестно расположенными стержнями и массивами закрепленного грунта

№ 3(15) 2013

ИЗВЕСТИЯ Транссиба 123

Кроме выполненной проверки получены важные результаты, позволяющие оценить характер работы армирующих конструкций. В ходе расчета насыпи, устроенной без армирующих элементов, направление главных перемещений системы было ориентировано в сторону откоса насыпи (рисунок 4), при этом нижележащие прочные слои грунта практически не участвовали в работе по удержанию сдвигающегося массива. Введение в насыпи параллельно расположенных армирующих стержней позволило перераспределить часть напряжений в прочное ядро насыпи, однако нижележащие слои были задействованы в незначительной степени.

Рисунок 4 - Общий вид деформаций моделей насыпи: а - модель насыпи без армирования; б - модель насыпи, армированной параллельно расположенными стержнями; в - модель насыпи, армированной перекрестно расположенными стержнями; г - модель насыпи, армированной перекрестно расположенными стержнями и массивами закрепленного грунта

Устройство перекрестно расположенных стержней в двух ярусах позволило существенно сократить деформации и перераспределить напряжения в ядро и подстилающие слои насыпи. Создание объемного каркаса из стержней и массивов закрепленного грунта позволило повысить критическую нагрузку и более равномерно (в сравнении с отдельными перекрестно расположенными стержнями) распределить напряжения в окрестности прочных массивов грунта.

Выполнение второго блока расчетов производилось с использованием параметров нижнего строения пути эксплуатируемого участка железнодорожной линии Абаканм - Тайшет (км961 ПК5) Красноярской железной дороги. Основным критерием выбора опытного участка земляного полотна послужило наличие в нем дефекта откоса, влияющего на эксплуатационную надежность сооружения.

Проведенный расчет насыпи до усиления показал, что откос находится в состоянии предельного равновесия, характеризующегося коэффициентом устойчивости К = 1,01. На основании этого разработан проект усиления насыпи армирующими конструкциями. В качестве схемы армирования принято ярусное расположение армирующих стержней, объединенных между собой массивами закрепленного грунта (армирующий каркас). Параметры армирования принимались такими: шаг армирующих стержней - 1,0 м; угол забивки - 45°; вертикаль-

б

а

г

в

124 ИЗВЕСТИЯ Транссиба №„3

ное расстояние между армирующими каркасами - 2,5 м; длина заделки стержней арматуры в прочный массив - 2,4 м. Параметры напорного инъектирования раствора определялись исходя из необходимости уменьшения порового пространства грунта вплоть до достижения им требуемых характеристик прочности и сжимаемости.

Выполнение расчетов армированной насыпи проводилось с использованием моделей материалов, примененных в первом блоке расчетов. На основании данных расчета определено, что данный способ закрепления позволил повысить значение коэффициента устойчивости K до значения 1,8.

Таким образом, в ходе выполнения работ по исследованию способа упрочнения земляного полотна объемными армирующими конструкциями получены следующие результаты.

1. Выполнен комплекс экспериментальных исследований, позволивший определить, что использование метода армирования земляного полотна геокомпозитной структурой позволяет сократить деформации насыпи в 3,7 раза в сравнении с классическим стержневым креплением.

2. Разработана цифровая модель насыпи в программном комплексе Midas GTS, позволяющая проводить расчеты предложенной геокомпозитной структуры, при этом среднее значение превышений расчетных деформаций над фактическими составляет не более 6 мм на 1 м насыпи.

3. Выполнен проект усиления эксплуатируемого участка железнодорожной насыпи, позволивший повысить коэффициент устойчивости деформирующегося откоса в 1,78 раза.

Список литературы

1. Ланис, А. Л. Применение метода напорной инъекции для усиления насыпей [Текст] / А. Л. Ланис // Путь и путевое хозяйство. - 2009. - № 6. - С. 33 - 35.

2. Huang, J. 3D coupled mechanical and hydraulic modeling of a geosynthetic-reinforced deep mixed column-supported embankment / J. Huang, J. Han // Geotextiles and Geomembranes. -2009. - № 27. - С. 272 - 280.

3. Ланис, А. Л. Усиление грунтов земляного полотна армирующими конструкциями [Текст] / А. Л. Ланис, С. А. Овчинников // Труды IX междунар. конф. «Современные проблемы проектирования, строительства и эксплуатации железнодорожного пути» / МИИТ. - М., 2012. - С. 111 - 113.

4. Ланис, А. Л. Модификация модели геосреды для решения задач механики грунтов методом дискретных элементов [Текст1 / А. Л. Ланис, Г. Н. Хан // Вестник ТГАСУ / Томский гос. архитектурно-строительный ун-т. - Томск, 2013. - № 1. - С. 273 - 281.

УДК 624.19.035.2

Ю. А. Цибариус

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ПОДАТЛИВОЙ ВРЕМЕННОЙ НАБРЫЗГБЕТОННОЙ КРЕПИ НА НАПРЯЖЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПОСТОЯННОЙ ОБДЕЛКИ ТОННЕЛЯ

Одним из наиболее распространенных видов временной крепи при строительстве тоннелей является податливая набрызгбетонная крепь. В настоящее время учет набрызгбетонной крепи в расчете конструкции постоянной обделки затруднителен в связи с отсутствием универсальной методики проектирования, что влечет за собой увеличение материалоемкости конструкций и трудоемкости производимых работ. Данные о степени и характере влияния основных механических характеристик скальных грунтов и геометрических размеров сооружения на значение коэффициента учета податливой временной набрызгбетонной крепи, полученные в результате проведенных исследований, послужили основой для дальнейшей разработки универсальной методики проектирования.

№*15) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 125