ИСПЫТАНИЯ АРМОГРУНТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ В ЛАБОРАТОРНЫХ УСЛОВИЯХ

Нынешние условия, в которых производится использование железных дорог, обуславливают необходимость в создании и последующем использовании максимально эффективных методов, направленных на усиление земляного полотна. Наиболее целесообразным из методов, позволяющих добиться вышеуказанной цели, можно считать использование геоматериалов последнего поколения, которые используются при создании и усилении конструкции.

Для того, чтобы применение данного метода принесло максимальный результат, необходимо выявить и конкретизировать те изменения свойств конструкций армогрунтового типа (как дефективные, так и прочностные), которые имеют место при изменениях сочетаний параметров конструктивного, а также – эксплуатационного типа.

В целях выявления и систематизации вышеуказанных характеристик, был разработан и внедрен комплекс штамповых испытаний конструкций вышеуказанного типа. Испытания проводились в лабораторных условиях, на базе песка и щебня.

Ввиду того, что во всем мире сегодня принята политика ресурсосбережения, которая является особенно актуальной для ЖД-отрасли, становится очевидной нужда в поиске инновационных, максимально эффективных методов, направленных на минимизацию издержек, связных с ремонтными и реконструкционными работами железнодорожных путей.

Вышеуказанная задача существенно осложняется ввиду того, что в настоящее время железные дороги используются максимально интенсивно. В частности, имеют место повышенные нагрузки (погонные и осевые), а также – рост скорости движения поездов. Кроме того, сегодня активно внедряются новые конструкции верхнего строения путей, что также обуславливает необходимость обеспечения бесперебойной работы и максимальной надежности как железных дорог вообще, так и земляного полотна в особенности.

Необходимость в создании новых методов и поиске новых, более совершенных способов усиления полотна, вкупе с последующим внедрением таковых, обуславливается наличием деформированных и дефектных участков полотна, имеющих значительную протяженность. Также разработка новых методов необходима, ввиду систематически возрастающих требований, которые предъявляются к показателям устойчивости и прочности земляного полотна.

На сегодняшний день наиболее эффективным и целесообразным в применении можно считать метод усиления с использованием георешеток и прочих геоматериалов.

В частности, показатели прочностных и иных механических характеристик грунтовых материалов можно существенно улучшить при помощи различных армирующих геоматериалов и слоев из таковых. В частности, существует возможность создания армогрунтовой основы посредством использования технологии армирования основной площадки, грунтов основания, тела насыпи и балластного слоя.

Созданная таким образом основа отличается более высокими прочностными характеристиками. Также она более устойчива к деформации, если сравнивать данные показатели с аналогичными характеристиками исходного материала. Следовательно, она может применяться при создании и улучшении характеристик конструкций ЖД-путей. Основной, наиболее важной задачей в данном случае может считаться выявление и последующий анализ изменений деформативных и прочностных характеристик армогрунтовых конструкций в целом и их интенсивности, а также характера – в частности. Для осуществления данной задачи необходимо осуществить обширный комплекс лабораторных испытаний в условиях использования различных типов грунтов, геоматериалов, используемых для армироваия, глубины укладки последних по отношению к поверхности конструкции, количества слоев и расстояний между таковыми, частоты и интенсивности нагрузок механического типа, а также – изменениями иных параметров.

Проведенные испытания проводились на базе песка и щебня, поскольку на практике их чаще других применяют для наполнения.

1. Методика проведения лабораторных испытаний

Проведение лабораторных испытаний впервые осуществлялось в испытательном лотке лаборатории механики грунтов Военно-транспортного университета железнодорожных войск в городе Санкт-Петербург. Выбранный резервуар имеет глубину 2.03 м, и 3х4 м по периметру. Особенности конструкции данного резервуара для грунта полностью исключают возможность деформационных изменений основания, вместе с тем, исключая и последствие подобных изменений, которые неизменно отражаются на степени деформации слоев как армированного, так и неармированного типа.

Установка, с использованием которой проводились вышеуказанные штамповые испытания, создавалась на основе разноразмерных прямоугольных штампов из металла, гидравлического штампа, который позволял создавать реалистичные нагрузки на них, прибор, позволяющий измерить осадки штампов под воздействием нагрузок. Последний состоял из нескольких прогибомеров, закрепленных при помощи системы крепления реперного типа.

Созданная таким образом конструкция обеспечила возможность создавать нагрузку грунтовых массивов постепенно, в диапазоне 0,01–0,1 МПа, что составляет (0,1–1,0 кгс/см²). Также применение установки сделало возможным обеспечение постоянного, равномерного давления на каждой стадии изменения нагрузки и центрированность подачи последней на штамп.

Для того, чтобы измерить горизонтальное перемещение слоев геоматериала, был использован метод, описанный ниже.

Перед заполнением, каждый край геоматериала опоясывался стальной нитью 0.5 мм диаметром. Крепление нити было выполнено с использованием карабинов. Свободный конец нити был прикреплен с прогибомером. Последний, в свою очередь, был закреплен на неподвижной системе отсчета. Указанные особенности конструкции позволили минимизировать возможную погрешность показаний до 0,01 мм.

В целях исключения возможности заклинивания нити частицами грунта, ее предварительно пропустили через стальную трубку диаметром 0.2 см.

Испытания выполнялись в порядке, который указан ниже:

1. Выполнение армирования конструкции с варьированием параметров;
2. Монтаж необходимых систем и установка штампа;
3. Проведение испытаний;
4. Демонтаж вышеуказанного оборудования;
5. Разборка грунтового массива;
6. Получение и дальнейшее изучение образцов используемых в ходе работы геоматериалов.

При выполнении армирования, изменялись нижеследующие показатели:

1. Толщина грунтового слоя;
2. Тип используемых для армирования геоматериалов;
3. Количество слоев армирующего геоматериала и расстояний между слоями;
4. Глубина укладки геоматериалов от подошвы штампов.

Установка штампа выполнялась после планирования и проверки высоты поверхности конструкции по всей площади, на которой должна была совершаться установка.

Перед нагружением также выполнялся контроль и измерение горизонтальной поверхности штампа. Последняя процедура выполнялась с использованием уровня. Проверке был подвергнут и показатель точности установки штампа под центром нагрузочной балки. По окончанию установки необходимого оборудования, была выполнена установка исходных показаний измерительных приборов на «0» и фиксирование показаний в письменном порядке. Каждая стадия испытаний и работ в целом, фиксировалась при помощи фото.

При непосредственном проведении испытательных работ, производилась постепенная, ступенчатая нагрузка штампа, при которой первоочередно была включена масса деталей установки, которые оказывали воздействие на степень нагрузки. Показатель максимальной нагрузки составил 0,25 МПа (2,5 кг/см ²). По достижению данного показателя, выполнялась разгрузка массива и фиксация приборных показаний. Снятие и фиксирование отчетов измерительных приборов на каждой стадии испытаний выполнялось только после того, как стабилизировались деформации армогрунтового массива. В качестве критерия условной стабилизации данного показателя, была принята скорость осадки штампа до 0.1 мм, временной интервал в 30 мин. (t). Показатель полной деформации был определен, как среднее арифметическое показаний измерительного оборудования.

2. Обработка и анализ результатов лабораторных испытаний

Результаты, зафиксированные в ходе испытаний, были использованы для дальнейшего создания графиков зависимости показателей осадки штампа относительно величины статически увеличивающейся нагрузки S = f (p) вертикального типа. Для того, чтобы установить показатели упругой деформации в общей деформации массива, была построена ветвь разгрузки [1].

Также были определены показатели модуля общей деформации армогрунтовых конструкций Ео, МПа. По ним оценивалась потенциально возможная вероятность деформации конструкции для линейных участков. В ходе выполнения комплекса штамповых испытаний, с применением единого конструктивного решения армогрунтовой конструкции, показатель модуля общей деформации Ео был вычислен, как среднее арифметическое модулей деформации в каждом конкретном испытании для каждого нагрузочного интервала Р.

Анализ полученных в ходе результатов испытаний, позволил сделать нижеследующие выводы:

1. Показатель модуля общей деформации конструкций на щебневой основе, армированных 1 слоем геоматериала, в выполненном нагрузочном диапазоне возрастает в 1,22–1,34 раза, 2 – в 1,79–2,08 раза, 3 – в 2,15, если сравнивать его с неармированными конструкциями.

2. Конструкции, выполненные на основе песка, показали следующие результаты: показатель модуля общей деформации был повышен в 1,38–1,50 раза при однослойном армировании, в 1,63–2,00 раза – в 2 слоя.

3. Варьирование расстояний между слоями геоматериала в диапазоне 10-30 см не оказывает существенного влияния на показатель общей деформации щебня в выполненном нагрузочном диапазоне.

4. Показатель упругой составляющей в общей деформации армированных конструкций возрос на 7–35 % относительно неармированной конструкции.

5. В ходе исследований не было выявлено существенного горизонтального перемещения геоматериалов, которое, предположительно, могло иметь место ввиду оказываемой вертикальной нагрузки. Данная тенденция означает, что геоматериалы воспринимали растягивающие усилия без выдергивания из грунтового слоя. Осмотр изъятых по окончанию испытаний образцов также не выявил изменений и деформаций полотен или отдельных ячеек таковых. Из этого следует, что геоматериалы оптимально подходят для использования в грунте указанного типа.

Вывод: при армировании грунта геоматериалом и включении армированных слоев в работу, существенно увеличивается показатель общей деформации, который напрямую зависит от использованного при внедрении конструктивного решения.

Результаты исследований свидетельствуют о том, что деформативные качества армогрунтовых конструкций могут существенно меняться, в зависимости от показателя нагрузки на штамп и глубины укладки геоматериала от подошвы. Следовательно, данные показатели оказывают существенное влияние на показатели напряжений, которые действуют на уровне армирующего слоя. Потому очень важно выявить те величины, при которых геоматериал включается в работу.

Величина напряжений, при которых происходит вышеуказанное явление σв, была определена, согласно известным решениями о затухании напряжений под подошвой жесткого прямоугольного штампа. Значения σв были определены в зависимости от соотношения сторон штампа, глубины укладки геоматериала и показателя нагрузки на штамп, при которой геоматериал включается в работу (определялась при совместном анализе зависимостей S = f(p) для армированной и неармированной конструкций).

Проведенные испытания и дальнейший анализ полученных данных, позволили выявить показатели напряжений, при которых плоскостные геоматериалы включаются в работу. Также полученные результаты были применены в ходе создания нового метода моделирования армирующих характеристик геоматериалов. Заключается он в замене геоматериала эквивалентным слоем [2]. Указанный метод стал своеобразной базой для методики расчета напряженно-деформированного состояния земляного полотна, при которой учитывается присутствие в конструкции пути слоя геоматериала [3].

Список литературы:

1. Исследования эффективности применения современных геоматериалов в конструкции железнодорожного пути / а. В. Петряев, И. Н. Журавлев // Исследования и раз- работки ресурсосберегающих технологий на ж.-д. транспорте: межвуз. сб. науч. трудов с международным участием. – Вып. 21. – Самара: СамИИТ, 2001. – С. 319.
2. Оценка влияния геоматериалов на деформативность грунтовых массивов и разработка способа моделирования армирующих свойств геоматериалов / И. Н. Журавлев // Проблемы развития сети железных дорог: межвуз. сб. науч. трудов. – Хабаровск: ДВГУПС, 2006. – С. 102–105.
3. Разработка методики расчета напряженно-деформированного состояния земляного полотна, усиленного геоматериалами / И. Н. Журавлев // Железнодорожный транспорт: проблемы и решения: междунар. сб. трудов молодых ученых, аспирантов и докторантов. – Вып. 7. – СПб.: ПГУПС, 2004. – С. 38–42.