Строительство и архитектура/3. Современные
технологии строительства, реконструкции
и реставрации
д.т.н. Комов Василий
Макарович
Санкт-Петербургский
государственный аграрный университет, Россия
аспирант Кадушкин Владимир
Александрович
Санкт-Петербургский
государственный аграрный университет, Россия
Лабораторные исследования дорожных одежд для объектов сельскохозяйственного назначения, армированных синтетическими решетками
I.
Введение
Актуальность проблемы по разработке технологии
устройства дорожных одежд с применением современных армирующих материалов в
настоящее время приобретает первостепенное значение в связи с ростом устройства
сельскохозяйственных дорог и проездов переходного и низшего типов с
использованием местных инертных материалов.
После проведения теоретических исследований
состояния дорожных одежд сельских поселений Северо-Западного Федерального
округа Российской Федерации был сделан вывод о необходимости проведения
исследований с последующей разработкой и подбором экономически выгодных и простых
конструкций дорожных одежд, армированных синтетическими материалами.
Были проведены математические расчеты
экспериментальных конструкций дорожных одежд под заданное покрытие дорожной
одежды.
Следующей задачей исследований является экспериментальный
расчет коэффициента, учитывающего несущую способность дорожной одежды при воздействии
на нее динамических нагрузок в сравнении с неармированной конструкцией дорожной
одежды. Это связано с необходимостью определения влияния синтетических решеток
на несущую способность дорожных одежд.
II.
Основные цели и задачи
исследования
Основными задачами
исследования является исследование влияния синтетической решетки Tensar Triax 160 на увеличение несущей способности дорожной
одежды, армированной синтетической решеткой при динамических воздействиях, а
также исследование несущей способности дорожных одежд, армированных
синтетическими решетками с целью подбора оптимальных толщин дорожных одежд в зависимости от приложенных
колесных нагрузок.
Цель работы в оценке
перспективы использования дорожной одежды, армированной синтетической решеткой,
на объектах сельскохозяйственного назначения при динамических воздействиях и выявлении
значения минимально допустимой толщины верхнего слоя дорожной одежды,
армированной синтетической решеткой в зависимости от динамических воздействий
на дорожную одежду.
Задачи лабораторных
исследований включают в себя:
- определение величин эквивалентного модуля
деформации конструкций «песок – щебень» и «песок – синтетическая решетка –
щебень» при воздействии на них кратковременных нагрузок;
- получение графических зависимостей осадки
штампов в зависимости от изменения величины эквивалентного модуля деформации;
- определение коэффициента деформации дорожной
одежды, армированной синтетической решеткой, позволяющего учитывать процент
эффективности использования дорожной одежды, армированной синтетической
решеткой в сравнении с неармированной конструкцией дорожной одежды.
Исследования проводят с целью экспериментального
определения эффективности использования дорожной одежды, армированной
синтетической решеткой в сравнении с неармированной конструкцией дорожной
одежды в зависимости от величин прикладываемых динамических нагрузок. Испытания
производят согласно требованиям [3,4,5].
Вся привлекаемая для испытаний аппаратура прошла
проверку и соответствовать требованиям ГОСТ.
III.
Планирование
лабораторных исследований и анализ результатов
Для решения
поставленных задач был проведен цикл следующих лабораторных исследований:
- определение
деформационных характеристик и несущей способности конструкции дорожной одежды
без армирования синтетической решеткой со следующими характеристиками (рис. 1).
- определение
деформационных характеристик и несущей способности конструкции дорожной одежды,
армированной синтетической решеткой со следующими характеристиками (рис. 2).
Рис.
1. Вид дорожной одежды в разрезе.
1
– уплотненный щебень фр.20-40 мм толщиной 100 мм; 2 – уплотненный песок средней
крупности толщиной 200 мм; 3 – уплотненный грунт.
Рис.
2. Вид дорожной одежды в разрезе.
1
– уплотненный щебень фр. 20-40 мм толщиной 100 мм; 2 – трехосная георешетка Tensar
Triax 160; 3 – уплотненный песок средней крупности толщиной 200
мм; 4 – уплотненный грунт.
Задачи, решаемые в сериях:
–
получение
графических зависимостей осадки штампов от величины прикладываемой нагрузки
конструкций дорожных одежд, армированных и неармированных синтетической
решеткой;
–
получение
конструкций дорожных одежд, армированных синтетическими решетками с различными
толщинами верхнего слоя из щебня в зависимости от действующих нагрузок на
дорожную одежду.
Выбор
значимых факторов и интервалов их варьирования (табл. 1) при проведении
экспериментальных исследований произведен на основе имеющихся теоретических и
экспериментальных исследований, анализа опыта использования синтетических
материалов в дорожных конструкциях, описанных в [1,6,7,8].
Нагрузка Р (т) на армированное основание в лотке, передаваемое двумя
штампами (d=375 мм). Прикладываемая нагрузка
варьировалась от 0,174 до 3,21 (МПа), что соответствует реальной нагрузке на
дорожную одежду на объектах сельскохозяйственного назначения [2].
Минимальная и максимальная
толщины верхних слоев из щебня для конструкций автомобильных дорог определены [3].
Минимальная толщина распределяемого верхнего слоя дорожной одежды из щебня при
укладке на прочное основание должна быть не менее 10 см. Максимальная толщина
для щебня фракции 20-40 и маркой по прочности выше М1000 составляет 24 см.
Таблица
1
Факторы и интервалы варьирования
|
№ п./п. |
Фактор варьирования |
Нижний уровень |
Верхний уровень |
Интервал варьирования |
|
-1 |
+1 |
|||
|
Х1 |
P,
нагрузка на
армированное основание, передаваемое двумя штампами d=37,5см, МПа |
0,17 |
3,21 |
3,04 |
|
Х2 |
N, толщины верхнего слоя дорожной одежды из щебня, м |
0,1 |
0,24 |
0,14 |
Матрица планирования
лабораторного эксперимента
Для проведения полнофакторного
эксперимента необходимо исследовать
п - состояний конструкции:
п = рк
=22=4 эксперимента, (1.1)
где к – количество факторов варьирования,
к = 2;
p – число уровней
варьирования, p = 2.
В табл. 1 приняты следующие обозначения:
X1 – фактор (Р, т нагрузка на армированное основание);
Х2 – фактор (N,см толщина верхнего слоя
дорожной одежды);
Для реализации всех возможных сочетаний
уровней факторов варьирования определена матрица планирования эксперимента
(табл. 2).
Таблица
2
Матрица планирования эксперимента
|
№ опыта |
X1 |
X2 |
Y |
|
1 |
-1 |
-1 |
Y 1 |
|
2 |
1 |
-1 |
Y 2 |
|
3 |
-1 |
1 |
Y 3 |
|
4 |
1 |
1 |
Y 4 |
|
5 |
-1 |
-1 |
Y 5 |
|
6 |
1 |
-1 |
Y 6 |
|
7 |
-1 |
1 |
Y 7 |
|
8 |
1 |
1 |
Y 8 |
|
9 |
-1 |
-1 |
Y 9 |
|
10 |
1 |
-1 |
Y 10 |
|
11 |
-1 |
1 |
Y 11 |
|
12 |
1 |
1 |
Y 12 |
|
13 |
-1 |
-1 |
Y 13 |
|
14 |
1 |
-1 |
Y 14 |
|
15 |
-1 |
1 |
Y 15 |
|
16 |
1 |
1 |
Y 16 |
|
17 |
-1 |
-1 |
Y 17 |
|
18 |
1 |
-1 |
Y 18 |
|
19 |
-1 |
1 |
Y 19 |
|
20 |
1 |
1 |
Y 20 |
|
21 |
-1 |
-1 |
Y 21 |
|
22 |
1 |
-1 |
Y 22 |
|
23 |
-1 |
1 |
Y 23 |
|
24 |
1 |
1 |
Y 24 |
Y – отклик (∂, мм –
прогиб под штампом).
Количество серий экспериментов – 4.
Минимальное количество повторов экспериментов в
серии принимается m=6.
Таким образом, одна серия (Nс) определяется по
формуле (1.2) и включает:
эксперимента. (1.2)
Определение деформационных характеристик и
несущей способности конструкции производилось в грунтовом лотке.
Лоток имеет глубину 138 см и размеры в плане
300×210 см. Он выполнен из металлического листа толщиной 3 мм и усилен
ребрами жесткости из прокатных профилей. Лоток выполнен сборно-разборным, что
позволяет изменять его высоту от 60 до 138 см.
Система передачи нагрузки состоит из:
- жестких штампов толщиной 50 мм, диаметром
375 мм, имитирующих воздействия колесной нагрузки автомобилей на дорожную
одежду;
- гидравлических домкратов, развивающих усилия до 50 т (500 кН);
- упорных балок, обеспечивающих восприятие
вертикальных усилий от гидравлических домкратов (балки выполнены спаренные из двух
двутавров);
- двух перемещаемых
катковых порталов.
Грунтовое основание укладывалось слоем толщиной
30 см с уплотнением ручной трамбовкой. В качестве грунтового основания дорожных
одежд использовался песок средней крупности однородный [5].
Для обеспечения заданной плотности, а также
модуля деформации грунтового основания число ударов трамбовки по одному следу
определялось заранее. После каждого эксперимента грунт основания убирался на
глубину равную трем диаметрам штампа и укладывался заново.
Покрытие выполнялось из гранитного щебня фракций
20-40 мм толщиной 100, 170, 240 мм. При подготовке покрытий обеспечивалась
требуемая толщина слоя и степень уплотнения. При установке штампов
производилась подливка из быстротвердеющего гипса, что позволяло устранить
местную концентрацию напряжений в зоне контакта штампов с поверхностью
щебеночного покрытия.
В качестве армирующих материалов использовалась
георешетка Tensar Triax 160. Георешетка укладывалась на поверхность грунтовых
оснований после определения их деформативных характеристик.
Испытание дорожных конструкций производилось в
следующей последовательности:
1. Выбор точки установки центра штампа;
2. Выведение порталов и упорной балки на точку
испытаний;
3. Закрепление порталов в рабочем положении с
фиксацией к фундаменту с помощью болтов;
4. Пробная установка штампов, домкратов;
5. Пробный упор домкрата в штамп, устранение
неточностей установки;
6. Снятие штампов, фиксация его геометрического
центра;
7. Заливка контактной площади штампов с
поверхностью покрытия жидким быстротвердеющим гипсом толщиной 4-5 мм;
8. Притирка штампов с одновременным контролем
горизонтальности установки штампов в двух взаимно перпендикулярных направлениях
с помощью уровня;
9. Установка прогибомеров и фиксация нитей к
штампам;
10. Легкое нагружение конструкции с целью
проверки подвижности стрелок прогибомеров и индикаторов нагрузки;
11. Определение начальных показаний
измерительных приборов и регистрация их в журнале испытаний;
12. Нагружение основания или конструкции
дорожной одежды до достижения необходимого давления, регистрация показаний
измерительных приборов;
13. Полная разгрузка основания или конструкции;
14. Проведение последующих ступеней нагружений и
разгрузок.
Регистрация показаний измерительных приборов
производилась после условной стабилизации осадок как на стадии нагружения, так
и на стадии разгрузки.
Испытание считалось законченным после проведения
полного цикла операций. На основе полученных данных строился график зависимости
перемещения штампа от давления.
Результаты и анализ лабораторных
исследований
Определение
деформационных характеристик и несущей способности неармированной конструкции
дорожной одежды и конструкции дорожной одежды с армированием синтетической
решеткой.
На рисунках 3-5 приведены сравнительные сводные
графики зависимости абсолютной осадки (S) от величины прикладываемого давления
(Р) для неармированной конструкции дорожной одежды.
Рис. 3. Сравнительный сводный график
испытания неармированной конструкции дорожной одежды (щебень фракции 20-40 (h=10см))
Рис. 4. Сравнительный сводный график
испытания неармированной конструкции дорожной одежды (щебень фракции 20-40 (h=17см))
Рис. 5. Сравнительный сводный график
испытания неармированной конструкции дорожной одежды (щебень фракции 20-40 (h=24см))
На (рис. 6-8) приведены сравнительные сводные
графики зависимости абсолютной осадки (S) от величины прикладываемого давления
(Р) для армированной конструкции дорожной одежды.
Рис. 6. Сравнительный сводный график
испытания армированной конструкции дорожной одежды (щебень фракции 20-40 (h=10см))
Рис. 7. Сравнительный сводный график
испытания армированной конструкции дорожной одежды (щебень фракции 20-40 (h=17см))
Рис. 8. Сравнительный сводный график
испытания армированной конструкции дорожной одежды (щебень фракции 20-40 (h=24см))
Анализ проведенных испытаний дорожной одежды,
армированной синтетической решеткой.
Рис. 9. Парето-карта. Стандартный эффект
Рис. 10. Главные
эффекты
Парето-карта (рис. 9) показывает, что отношение
толщины верхнего слоя дорожной одежды А и нагружения дорожной одежды В, их
взаимодействие АВ, имеют статистически значимые эффекты, что подтверждается
фактом пересечения соответствующих столбцов с вертикальной линией,
представляющей 95%-ный доверительный уровень.
График главных эффектов также подтверждает этот
вывод (рис. 10).
Факторы А, В, а также взаимодействие АВ сильно
отклоняются от линии нормального распределения, что свидетельствует об их более
сильном воздействии на целевой параметр.
Для проверки адекватности выбранной модели был
произведен дисперсионный анализ (табл. 3).
Таблица 3
Дисперсионный анализ
|
Факторы и взаимодействия |
Сумма квадратов |
Степень свободы |
Средний квадрат |
F- отношение |
Р- значение |
|
А: толщина |
0,0109228 |
1 |
0,0109228 |
|
|
|
В: нагружение |
0,0547806 |
1 |
0,0547806 |
|
|
|
АВ |
8,62817E-32 |
1 |
8,62817E-32 |
|
|
|
Полная
ошибка |
0,0 |
0 |
|
|
|
|
Полная
поправка |
0,1625 |
3 |
|
|
|
Для построения регрессионного уравнения (1.3)
были вычислены коэффициенты уравнения регрессии (табл. 4), и построены графики
отклика (рис. 11).
Таблица 4
Коэффициенты
регрессионного уравнения
|
№ п.п. |
Факторы |
Значения коэффициентов |
|
1 |
Const (b0) |
0,0782895 |
|
2 |
А: толщина |
0,131579 |
|
3 |
В: нагружения |
0,0368421 |
|
4 |
АВ |
0,0 |
Регрессионное уравнение:
ā = 0,0782895 + 0,131579*P + 0,0368421*N + 0,0*P*N, (1.3)
где
Р – величина нагрузки на верхнее покрытие, N – толщина верхнего слоя
дорожной одежды;
ā – коэффициент эффективности состояния
дорожной одежды, армированной синтетической решеткой в сравнении с
неармированной конструкцией дорожной одежды.
ā = 0,0782895 +
0,131579*3,21 + 0,0368421*0,24 = 0,509500194
Полученные после раскодирования значения А
представлены в табл. 6 и сопоставлены с экспериментально полученными данными.
Как показано на (рис. 11, 12) предсказанные и
расчетные значения имеют между собой хорошую сходимость, что дает возможность
считать регрессионное уравнение адекватным.
Рис. 11. Поверхность отклика
Рис.
12. Поверхности отклика
IV.
Выводы
По результатам проведенных серий
экспериментальных лабораторных исследований можно сделать следующие выводы.
Армирование нежестких
дорожных одежд переходного и низшего типов синтетическими решетками является
весьма эффективным. Эффективность
армирования дорожной одежды зависит от соотношения передаваемых колесных
нагрузок и толщины верхнего слоя дорожной одежды из щебня. Георешетка
практически исключает проникновение щебеночного материала в подстилающий грунт.
При определении прочностных характеристик
дорожной одежды, армированной синтетической решеткой после динамических
воздействий, было выявлено:
- процент эффективности состояния дорожной
одежды, армированной синтетической решеткой в сравнении с неармированной
конструкцией дорожной одежды составляет ā1=49,05% (от площади
лотка 60000 см2), что составляет (2796 см2).
- понижающий коэффициент при расчетах равен
пропорции от 100% и равен ā=0,5095.
Полученный коэффициент (ā) позволяет
учитывать в расчетах процент эффективности состояния дорожной одежды,
армированной синтетической решеткой после многократных воздействий на нее, тем
самым обеспечивая запас прочности дорожной одежды в целом.
Полученный коэффициент требует корректировки
после проведения натурного эксперимента.
В результате анализа проведенных исследований
можно сделать вывод о минимальной толщине верхнего слоя дорожной одежды в
результате воздействия на нее динамических нагрузок. При данных параметрах
армирования дорожной одежды минимальная толщина верхнего слоя составляет 10 см.
Литература
1.
Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В.Планирование
эксперимента при поиске оптимальных условий. Издание второе, переработанное и
дополненное, издательство «Наука», Москва, 1976.
2.
Славуцкий А.К. Сельскохозяйственные
дороги и площадки. [По спец. "С.-х. стр-во"], 1986
(Учебники и учебные пособия для вузов).
3.
СНиП
3.06.03-85 «Автомобильные дороги», Москва, 1986.
4.
ГОСТ
20276-85 «Грунты. Методы полевого определения характеристик деформируемости»,
Москва, 1985.
5.
ГОСТ
25100-95 «Грунты. Классификация», Москва, 1996.
6.
Potter J.F., CurrerE.W.Theeffektofa
fabric membrane on the structural behaviour of a granular road pavement. - TRRL
Jab. Rept., 1981, N 996, 16 p.
7.
Sakty J. P. and Braje M. Das.
Model test for strip loundiilion on chiy reinforced with geotextile layers.
Journal of the Jtansportation research record, 1998,
-vol. l, -p.42-45.
8.
Sanford Weisberg. Regression analysis:
Applied Linear Regression, 3rd edition. John Wiley and Sons, New York, 2005.