Выполнил: Колесова А.С., ПГС1-14-1М Науч. Руководитель: асс. Гришина А.С. ПНИПУ, СФ, каф. СПГ АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ФИБРОАРМИРОВАННОГО ПЕСКА ПРИ УСТРОЙСТЕ НАСЫПЕЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 1 УДК 692.115 ПНИПУ Строительный факультет Каф. СПГ Подземное и городское строительство
Насыпь - грунтовое линейное сооружение, возводимое на трассе дороги в понижениях рельефа с целью сохранения необходимого заданного уровня. Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 2 Насыпь имеет малый угол заложения откосной части, что приводит к уширению основания насыпи. В н.в. одной из главных проблем применения насыпей в развивающихся городах является неэффективное использование площадей городских территорий. Рис. 1 Автомобильная насыпь
Одним из путей повышения эффективности использования площадей городских территорий является уменьшение величины основания насыпи, т.е. придание откосам большей крутизны. Это возможно благодаря армированию тела насыпи. 3 Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М В работе исследуется эффективный метод создания насыпей под автомобильные дороги – использование фиброармированного песка в качестве основного материала. Данный метод позволит увеличить крутизну откосов насыпи и уменьшить ширину ее основания, что приведет к более рациональному использованию площадей городских территорий. Рис. 2 Фибропесок
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 4 Цель работы: исследование влияния фиброармирования песка на геометрические параметры насыпей под автомобильные дороги. Задачи исследования: Обзор литературы и анализ состояния вопроса; Лабораторные экспериментальные исследования физических и механических характеристик песков и фибропесков; Определение геометрических параметров неармированных и армированных равнопрочных насыпей аналитическим и численным методами расчета; Анализ полученных результатов расчета. Выводы по работе
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 5 Научные конференции: VII Всероссийская молодежная конференция аспирантов, молодых ученых и студентов «Современные технологии в строительстве. Теория и практика» 25-27 марта 2015г.; VIII Научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире» с международным участием» 23-26 апреля 2015г.; VII Международная заочная научно-практическая конференция «Наука в современном информационном обществе» 09-10 ноября 2015г.; VII Международная заочная научно-практическая конференция «Фундаментальная наука и технологии – перспективные разработки» 01-02 декабря 2015г.; VIII Всероссийская молодежная конференция аспирантов, молодых ученых и студентов «Современные технологии в строительстве. Теория и практика» 06-08 апреля 2016г.
6 Научные публикации: Колесова А.С. Поведение грунта под динамическими нагрузками//Геология в развивающемся мире: сб. науч. тр. в 2 т. – Пермь, 2015. РИНЦ Колесова А.С., Кузнецова А.С. Анализ изученности вопроса о динамических свойствах грунтов// Актуальные проблемы современного фундаментостроения с учетом энергосберегающих технологий: сб. науч. ст. – Пенза, 2014. Колесова А.С., Гришина А.С. Методы определения свойств грунта, находящегося под динамическими нагрузками// Строительство и архитектура. Опыт и современные технологии. Геотехника и геотехнологии : сб. науч. ст. - URL : http://sbornikstf.pstu.ru/council/?n=&s=247 Колесова А.С. К вопросу изучения фибрового армирования грунта // Наука в современном информационном обществе. - North Charleston, 2015. РИНЦ Колесова А.С, Клевеко В.И., Шаньгина Ю.М. Влияние армирования грунта фибровыми волокнами на его плотность для использования в качестве обратной засыпки в подземном строительстве // Наука в современном информационном обществе. - North Charleston, 2015. РИНЦ Колесова А.С., Клевеко В.И. Исследование влияния фибрового армирования на геометрические параметры равнопрочных насыпей // Фундаментальная наука и технологии.– North Charleston, 2015. РИНЦ Колесова А.С., Шаньгина Ю.М., Гришина А.С. Анализ эффективности применения фиброармированного песка при устройстве насыпей автомобильных дорог и обратной засыпки подпорных стен // Геомаркетинг, 2016. ВАК (принята к печати)
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 7 В работе рассмотрена относительно новая технология армирования грунта полипропиленовой фиброй. Данная технология предполагает создание композитного материала путем внедрения коротких дискретных полипропиленовых волокон с дальнейшим равномерным распределением по всему объему грунтового массива. Изучением конструкций армогрунта занимались: Дж. Зорберг, С. Хеджази, А. Дьямба, В.Ф. Барвашов, А.А, Бартоломей, Н.В. Брантман, А. Б. Пономарев, В.И. Клевеко, В.Г. Офрихтер и др. Рис. 3 Полипропиленовые волокна
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 8 Патенты: 1. Путивский С.А., Мордвинов А.В., Ягин В.В. Патент №2482244 «Способ армирования грунта» 2. Журавлев А.Н., Оснос С.П., Ахмадеев В.Ф. Патент №2418752 «Фибра базальтовая» 3. Наумов О.Н., Коротышевский О.В. Патент №2012498 «Способ подачи фибр» 4. Шадунц К.Ш., Мадо А.Х., Ешенко О.Ю. Патент №2135896 «Насыпь» 5. Фретаг Н., Моризо Ж.-К. Патент №2503778 «Гибкая укрепляющая лента, используемая для армирования грунтовых сооружений»
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 9 Несвязный грунт – песок Армирующий материал- фибра Плотность сухого грунта 1.49 г/см 3 Удельный вес сухого гр. 14.61кН/м 3 Коэффициент пористости 0.68 Пористость 0.41 Удельный вес грунта во взвешенном состоянии 8.66кН/м 3 Оптимальная влажность 8.5% Плотность частиц грунта 2.62 г/см 3 Тип песка (по т. Б1 ГОСТ25100-11) Мелкий песок Материал Полипропилен Длина волокна 12мм Диаметр волокна 25-35микрон Плотность 0.91г/см 3 Модуль упругости при изгибе 1050 Мпа Максимальное относительное удлинение при разрыве 23% Табл.1 Табл.2
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 10 Рис. 4 Фибра полипропиленовая Рис. 5 Образец фибропесчаного грунта Образцы : 1. Грунт без фибры 2. Грунт с сод. фибры 0,5 % 3. Грунт с сод. фибры 1,0 % 4. Грунт с сод. фибры 1,5 %
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 11 Были определены: Гранулометрический состав ГОСТ 30416-96 Плотность частиц грунта ГОСТ 5180-84 Оптимальная влажность по ГОСТ 22733-2002 (необходима для достижения максимальной плотности согласно технологии укладки грунта) Рис.6 Набор сит Рис.7 Песчаная баня Рис.8 Отжим воды
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 12 Выявлена зависимость плотности сухого грунта от влажности и степени (%) армирования. Внедрение фибры снижает способность грунта к уплотняемости. Рис.9 График зависимости ρ сух. г р ( ω) Рис.10 График зависимости ρ сух. гр (% арм. )
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 13 ГОСТ 12248-2010 Рис. 12 Образец в приборе трехосного сжатия Проведены серии испытаний в приборе трехосного сжатия (КД) на боковую нагрузку 100, 200 и 300 кПа и на вертикальную нагрузку (до разрушения) Рис.11 Интерфейс
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 14 Изменение φ и С в зависимости от степени армирования грунта ГОСТ 12248-2010 Рис. 13 График φ (% армирования) Рис. 14 График С (% армирования)
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 15 Рис. 15 Критерий Мора-Кулона (теория внутреннего трения) для неармированного образца и образца с сод. фибры 0,5%
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 16 Внедрение волокон в грунтовый массив в качестве армирующих элементов положительно влияет на механические свойства грунта. Это достигается за счёт увеличения сдвиговых критериев прочности: удельного сцепления ( в 1,85-3,75 раз) и угла внутреннего трения (в 1,12-1,41 раз). При 1,5% армирования отмечено снижение характеристик, что объясняется тем, что фибра комкуется и неравномерно распределяетс я в грунте, образуя поверхности проскальзывания Оптимальный вариан т армирования – 0,5%. При 1% расход материала увеличивается в 2 раза, а характеристики грунта меняются незначительно. Дальнейший расчет производим для образца с сод. фибры 0,5%. Наименование 0% 0,5% 1,0% 1,5% φ, ﹾ° 35,03 39,27 42,62 49,41 С, МПа 0,020 0,067 0,075 0,037 Табл.3
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 17 В качестве исследуемой модели была выбрана насыпь под автомобильные дороги IV категории. Материал насыпи – мелкий песок с уд. в есом 18,4 кН/м3. Расчет производился на обеспечение общей устойчивости откосной части насыпи. Оползающий массив грунта смещается по криволинейной поверхности ( круглоцилиндрическая поверхность скольжения) Рис. 16 Геометрические параметры устойчивой неармированной насыпи
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 18 Для расчета откоса насыпи нагрузка от транспортных средств была приведена к эквивалентному слою грунта и составила 2,44м. Оценка устойчивости грунтового массива против сдвига сводится к условию: Ктр≤Кф В случае исходной насыпи: Ктр = Кф =1,45 Для уменьшения пологости откоса методом перебора геометрических параметров была подобрана равнопрочная насыпь, материалом которой является армированный грунт. Фиброармирование позволяет уменьшить ширину основания насыпи и сократить расход песка практически в 2 раза Рис. 17 Геометрические параметры устойчивой фиброармированной насыпи
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 19 Расчет в программном комплексе « PLAXIS 2D » имеет незначительные расхождения с аналитическим расчетом, что подтверждает целесообразность и эффективность применения фибропеска для устройства насыпей под автомобильные дороги. Рис. 18 Деформируемые схемы песчаной и фибропесчаной насыпей
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 20 Параметр Аналитический расчет Расчет в ПК « PLAXIS » Песок Фибропесок Песок Фибропесок К уст 1,45 1,45 1,45 1,53 Величина основания откоса 19,5 0 м 4,875 м 19,5 0 м 6,15м Ширина основания насыпи 49,0 0 м 19,75 м 49,0 0 м 22,3 0 м Табл. 4
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 21 Фибра, % Стоимость 1 м. п. без НДС, руб. НДС 18%, руб. Стоимость 1 м. п. с НДС, руб. Δ 0 % 206 241,00 37 123,38 243 364,38 Δ=95 945,8 руб. Δ=39,42% 0,5 % 124 931,00 22 487,58 147 418,58 Табл. 5
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 22 Использование фиброармирования в транспортном строительстве эффективно ; Фиброармирование увеличивает удельное сцепление песка в 1,85-3,75 раз, а угол внутреннего трения в 1,12-1,41 раз. Оптимальное процентное содержание фибры – 0,5% ; Результаты аналитического расчета практически совпадают с результатами в ПК « PLAXIS » ( Δ≈ 13%), что подтверждает их достоверность. Фиброармирование уменьшает основание насыпей ≈ в 2 раза ; Фиброармирование насыпей снижает стоимость их возведения на 40% ; Рекомендуется использовать технологию армирования грунта полипропиленовыми волокнами при устройстве насыпей под автомобильные дороги.
Колесова А.С., ПНИПУ, СФ, ПГС1-14-1М 23
