THE PLANNING OF THE MODEL EXPERIMENTS TO INVERSTIGATE THE OPERATION OF RETAINING WALLS, WHICH ARE REINFORCED WITH GEOSYNTHETIC HORIZONTAL LAYERS

Abstract


Retaining structures are prevalent constructions, which are used due to dense urban development areas nowadays. Today it has wide spread in using reinforced soil in these constructions. This technology is to improve the properties of an existing of the soil on the construction site by introducing the elements of increased strength into the ground. The reinforcement counteracts the loads and, thereby, to create a more economical design. In modern construction practice, as reinforcement, geosynthetics hold the leading role for the retaining structures. However, in spite of its extensive using, the operation of the retaining walls has not been explored yet, and, therefore, it needs in additional researches. The article presents the plan of the series of experiments to investigate the operation of retaining construction, which is reinforced with different types of geosyntetics. Geotextile, geocell and geodon are as reinforced layers. The test program was developed, the order of conducting experiments was described, and the matrix of experiment planning was presented. Materials and equipment, which are necessary for experiment, were described in details. Except laboratory, it is supposed to perform numerical experiments, which are necessary for exception errors in laboratory tests and for comparison of indications. Numerical simulations are expected to be performed using the finite elements method in the software package PLAXIS 2D, which can to interpret the actual conditions of the retaining wall. Numerical simulation is similar to the program of laboratory tests. In addition, the article presents conclusions about the relevance of experiments and their originally.

Full Text

В современном мире больших и развитых мегаполисов актуализируются различные градостроительные проблемы, возникающие в результате плотной городской застройки территорий [1]. В качестве решения данной проблемы широкое распространение в современной строительной практике получили подпорные конструкции, позволяющие создавать достаточно сложные, но рациональные сооружения. Подпорные конструкции представляют собой сооружения, удерживающие грунт от обрушения, и, соответственно, испытывают значительные горизонтальные нагрузки: как постоянные - от собственного веса удерживаемого грунта, так и временные - находящиеся на призме обрушения. Поэтому основной задачей является максимально возможное компенсирование данных нагрузок, которое достигается благодаря использованию армогрунта. В дополнение к этому армогрунт позволяет улучшить физико-механические свойства грунтов и придать конструкциям большую экономическую эффективность благодаря использованию местных материалов [2-4]. Существует множество способов армирования грунта - укрепление грунта некорродируемой сталью, усиление сваями, однако более важную роль играют геосинтетические материалы. В настоящее время геосинтетики занимают одну из лидирующих позиций в геотехническом строительстве [5-8]. Существует множество типов геосинтетических материалов, каждый из которых имеет свою область применения. В качестве армирующего материала грунта при устройстве подпорных стен чаще всего применяются георешетки, геотекстили и геоткани. Несмотря на широкое применение армогрунтовых конструкций, их работа еще не полностью изучена, в связи с чем требуется проведение дополнительных исследований - модельных и натурных [9-12]. Модельные испытания представляют собой эксперименты с использованием модели, имитирующей свойства реального объекта. Цель эксперимента заключается в установлении действительной работы армогрунтовой подпорной стенки при нагружении штампом. Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи: - проанализировать типы армирующих материалов и определить наиболее выгодный для использования в данных условиях; - построить график зависимости горизонтального перемещения подпорной стенки от временной нагрузки, находящейся на призме обрушения; - вычислить напряжения, возникающие в подпорной стенке; - сопоставить экспериментально полученные значения со значениями, полученными по методу конечных элементов; - сделать выводы об эффективности армирования грунта основания, а также о работе подпорной конструкции в целом. Модельные эксперименты по исследованию действительной работы армированных подпорных стен будут проводиться на материально-технической базе экспертной лаборатории кафедры «Строительное производство и геотехника» Пермского национального исследовательского политехнического университета. Необходимым для проведения испытания оборудованием является стендовая установка ГТ 0.7.1, конструкция которой представлена на рис. 1. Рис. 1. Стендовая установка ГТ 0.7.1: 1, 2 - задняя и передняя стенки из оргстекла; 3 - стальная решетка; 4 - опорная шайба Fig. 1. Poster installation GT 0.7.1: 1, 2 - posterior and anterior wall of Plexiglas; 3 - steel grille; 4 - back-up washer Стенд представляет собой плоский лоток с внутренними размерами 1072×156×1136 мм, с прозрачными стенками из оргстекла толщиной 50 мм. Для исключения их прогиба применены стальные решетки, в узлах которых находятся опорные шайбы. Внешняя нагрузка прикладывается при помощи штампа и создается степенями при помощи редуктора под управлением шаговым двигателем. Управление процессом испытаний выполняется автоматически с использованием программы Geotek-Foundation. Эксперимент заключается в моделировании работы подпорной стенки с армированным различными геосинтетическими материалами грунтом, а также с неармированным основанием. Конструкция подпорной стены представлена на рис. 2. Для проведения эксперимента необходимо создать модель представленной выше конструкции подпорной стенки [13]. Согласно теории подобия для изучения действительной работы необходимо выполнить некоторые условия подобия между реальным объектом и его моделью - объектом исследования. Рис. 2. Конструкция подпорной стенки Fig. 2. Design retaining wall Геометрическое условие подобия заключается в пропорциональности линейных размеров. Для проведения серии испытаний применяем масштаб 1:10. Для выполнения данного условия подобия масштабируем высоту стенки и толщины горизонтальных прослоек. Физическое условие подобия заключается в подобии материалов. Другими словами, учитывая принятое масштабирование, необходимо добиться максимально возможного сходства материалов модели и реального объекта. Так, в качестве модели подпорной стены из бетона толщиной 20 см будет выступать 3-миллиметровая конструкция из органического стекла. Толщина оргстекла была выбрана из соображений масштабирования жесткости на изгиб. Материалы прослоек, применяемые в реальных условиях эксплуатации, для модельных испытаний также были заменены в связи с требуемым масштабированием. Используемые в полевых условиях нетканый геотекстиль и георешетка для проведения эксперимента заменены на нетканый укрывной материал и сетку из полиамида соответственно. Также в одном из экспериментов будет применяться материал, используемый в реальных условиях - тканый геотекстиль геоспан ТН 50. Характеристики материалов приведены в табл. 1. Таблица 1 Характеристики армирующих материалов Table 1 Characteristics of reinforcing materials № п/п Материал Максимальная нагрузка при испытании на растяжение, кН/м Относительное удлинение при максимальной нагрузке, % Использование 1 Нетканый геотекстиль 1,45/3,39 10/18 В реальных условиях эксплуатации 2 Нетканый укрывной материал 0,13/0,16 73/70 В эксперименте Окончание табл. 1 № п/п Материал Максимальная нагрузка при испытании на растяжение, кН/м Относительное удлинение при максимальной нагрузке, % Использование 3 Георешетка 380/288 8 В реальных условиях эксплуатации 4 Сетка из полиамида 5,68 6,9 В эксперименте 5 Тканый геотекстиль 350/282 10 В эксперименте и реальных условиях эксплуатации Общий вид образцов геосинтетических материалов приведен на рис. 3. а б в Рис. 3. Образцы материалов: а - нетканый укрывной материал; б - сетка из полиамида; с - тканый геотекстиль Fig. 3. Samples of materials: a - covering material; b - polyamide grid; с - with - geotextile Рис. 4. Испытательная разрывная машина МТ-136 Fig. 4. Tensile testing machine MT-136 Образцы материалов для армирования были предварительно протестированы на испытательной разрывной машине МТ-136 (рис. 4) [14, 15]. Испытания на разрыв были проведены согласно действующим нормативам. В качестве материала засыпки принят песок мелкозернистый, просушенный до воздушно-сухого состояния. Физико-механические свойства грунта засыпки представлены в табл. 2. Механическое подобие заключается в подобии прикладываемых нагрузок и подобии измеряемых перемещений. Горизонтальное перемещение модели подпорной стены будет измеряться при помощи индикатора часового типа марки ИЧ 50 (рис. 5), позволяющего измерять перемещения до 50 мм. Цена деления прибора составляет 0,01 мм. Деформации армирующих прослоек будут контролироваться при помощи поверенных металлических линеек. Таблица 2 Физико-механические свойства грунта засыпки Table 2 Physic mechanical properties of the soil backfill № п/п Характеристика Ед. изм. Значение 1 По гранулометрическому составу - Песок мелкозернистый 2 По однородности - Песок однородный 3 Плотность ρ г/см3 1,63 4 Удельный вес γ кН/м3 15,974 5 Плотность частиц грунта ρs г/см3 2,652 6 Коэффициент пористости e кПа 2,4 7 Удельное сцепление c кПа 2,4 8 Угол внутреннего трения φ град 32,8 9 Модуль общей деформации E0 МПа 32,67 Кроме модельных предполагается проведение и численных испытаний, необходимых для сравнения показаний, а также исключения ошибок. Численное моделирование предполагается произвести методом конечных элементов в программном комплексе PLAXIS 2D [16, 17]. Для обработки полученных в результате проведения испытаний данных необходимо составить матрицу планирования эксперимента (табл. 3). Входными параметрами являются Х1 - тип прослойки («-2» - без армирования; «-1» - армирование геотекстилем; «+1» - армирование геотканью; «+2» - армирование георешеткой) и Х2 - прикладываемая нагрузка («-2» - 25 кПа; «-1» - 50 кПа; «+1» - 75 кПа; «+2» - 100 кПа). Выходными параметрами являются: Y1 - вертикальное перемещение штампа, мм; Y2 - горизонтальное перемещение стенки, мм; Y3 - напряжения, возникающие в стенке, кПа, а также Y2 и Y3, полученные по методу конечных элементов. Рис. 5. Индикатор часового типа ИЧ 50 Fig. 5. Indicator of hour type ICH 50 Таблица 3 Матрица планирования эксперимента Table 3 Matrix of experiment planning № X1 X2 Y1 Y2 Y3 Y2 (МКЭ) Y3 (МКЭ) 1 -2 -2 X11X21Y1 X11X21Y2 X11X21Y3 X11X21Y4 X11X21Y5 -2 -1 X11X22Y1 X11X22Y2 X11X22Y3 X11X22Y4 X11X22Y5 -2 +1 X11X23Y1 X11X23Y2 X11X23Y3 X11X23Y4 X11X23Y5 -2 +2 X11X24Y1 X11X24Y2 X11X24Y3 X11X24Y4 X11X24Y5 2 -1 -2 X12X21Y1 X12X21Y2 X12X21Y3 X12X21Y4 X12X21Y5 -1 -1 X12X22Y1 X12X22Y2 X12X22Y3 X12X22Y4 X12X22Y5 -1 +1 X12X23Y1 X12X23Y2 X12X23Y3 X12X23Y4 X12X23Y5 -1 +2 X12X24Y1 X12X24Y2 X12X24Y3 X12X24Y4 X12X24Y5 3 +1 -2 X13X21Y1 X13X21Y2 X13X21Y3 X13X21Y4 X13X21Y5 +1 -1 X13X22Y1 X13X22Y2 X13X22Y3 X13X22Y4 X13X22Y5 Окончание табл. 3 +1 +1 X13X23Y1 X13X23Y2 X13X23Y3 X13X23Y4 X13X23Y5 +1 +2 X13X24Y1 X13X24Y2 X13X24Y3 X13X24Y4 X13X24Y5 4 +2 -2 X14X21Y1 X14X21Y2 X14X21Y3 X14X21Y4 X14X21Y5 +2 -1 X14X22Y1 X14X22Y2 X14X22Y3 X14X22Y4 X14X22Y5 +2 +1 X14X23Y1 X14X23Y2 X14X23Y3 X14X23Y4 X14X23Y5 +2 +2 X14X24Y1 X14X24Y2 X14X24Y3 X14X24Y4 X14X24Y5 С целью выполнения условий сходимости предполагается провести испытания трехкратной повторяемостью с последующим анализом полученных результатов. При необходимости количество опытов будет увеличено для получения доверительной вероятности 95 %. После проведения серий испытаний будет выполнен анализ протоколов испытаний, полученных в ходе экспериментов, и построены необходимые графики. По данным результатам будет установлено отличие работ неармированной конструкции подпорной стены от аналогичной, армированной разными горизонтальными прослойками, путем сравнения значений напряжения и перемещений конструкции. Также путем сопоставления модельных и численных экспериментов будет оценена адекватность полученных результатов.

About the authors

K. R Kashapova

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Кашапова К.Р., Моисеева О.В., Калошина С.В. Технологии ограждения котлованов в условиях плотной городской застройки // Строительство и архитектура. Опыт и современные технологии. - 2014. - № 3.
  2. Соколова В.Д., Клевеко В.И. Основные положения по расчету армогрунтового устоя моста // Будущее науки - 2014: сб. науч. ст. 2-й Междунар. молодеж. науч. конф.: в 3 т. / отв. ред. А.А. Горохов. - Курск, 2014. - С. 236-239.
  3. Соколова В.Д., Клевеко В.И. Применение армированного грунта в конструкции устоев моста // Экология и научно-технический прогресс. Урбанистика: материалы XII Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (с международным участием). - Пермь, 2014. - № 1. - С. 367-373.
  4. Соколова В.Д., Клевеко В.И. Расчет армогрунтового устоя моста // Строительство и архитектура. Опыт и современные технологии. - 2014. - № 3.
  5. Клевеко В.И. Исследование работы армированных глинистых оснований // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2014. - № 4. - С. 101-110.
  6. Клевеко В.И. Применение геосинтетических материалов в дорожном строительстве в условиях Пермского края // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2013. - № 1. - С. 114-123.
  7. Методы строительства армогрунтовых конструкций: учеб.-метод. пособие / В.Г. Офрихтер, А.Б. Пономарев, В.И. Клевеко, К.В. Решетникова. - Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. - 145 с.
  8. Некоторые результаты исследований армогрунтовых оснований / Д.Г. Золотозубов, В.И. Клевеко, А.Б. Пономарев, Р.С. Нестеров // Актуальные проблемы геотехники: сб. ст., посвященный 60-летию профессора А.Н. Богомолова / ВолгГАСУ. - Волгоград, 2014. - С. 165-171.
  9. Планирование эксперимента по исследованию напряженно-деформированного состояния песчаного грунтового основания с помощью штамповых испытаний / Д.А. Татьянников, К.П. Давлятшин, Я.А. Федоровых, А.Б. Пономарев // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2011. - № 1. - С. 105-109.
  10. Кузнецова А.С., Пономарев А.Б. Планирование эксперимента по исследованию напряженно-деформированного состояния нагруженного массива фиброамированного грунта, находящегося за подпорной стеной // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2015. - № 1. - С. 135-148.
  11. Кузнецова А.С., Пономарев А.Б. Планирование и подготовка эксперимента трехосного сжатия глинистого грунта, улучшенного фибровым армированием // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2013. - № 1. - С. 151-161.
  12. Шенкман Р.И., Пономарев А.Б. Планирование лабораторных экспериментов на моделях грунтовых свай в оболочке из геосинтетических материалов // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Строительство и архитектура. - 2015. - № 1. - С. 149-165.
  13. Моделирование сезонного промерзания земляного полотна автомобильной дороги / А.М. Бургонутдинов, К.Р. Кашапова, В.И. Клевеко, О.В. Моисеева // Модернизация и научные исследования в транспортном комплексе: материалы науч.-техн. конф. с международным участием. - Пермь, 2015. - Т. 1. - С. 346-350.
  14. Пономарев А.Б., Татьянников Д.А., Клевеко В.И. Определение линейной жесткости геосинтетических материалов // Интернет-вестник ВолгГАСУ. - 2013. - № 2 (27). - С. 19-25.
  15. Татьянников Д.А., Клевеко В.И. Исследование характера зависимости «деформация - линейная жесткость» для разных типов геосинтетических материалов // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. - 2013. - № 1. - С. 165-172.
  16. Кашапова К.Р., Моисеева О.В., Клевеко В.И. Анализ напряженно-деформированного состояния несущих конструкций подземного пешеходного перехода в зависимости от глубины его заложения // Транспорт. Транспортные сооружения. Экология. - 2014. - № 4. - С. 27-39.
  17. Экономическое обоснование способов устройства котлована и глубины заложения подземного пешеходного перехода / К.Р. Кашапова, О.В. Моисеева, В.И. Клевеко, О.В. Петренева // Актуальные проблемы геотехники: сб. ст., посвященный 60-летию профессора А.Н. Богомолова / ВолгГАСУ. - Волгоград, 2014. - С. 237-246.

Statistics

Views

Abstract - 11

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2016 Kashapova K.R.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies