ПНИПУ Строительный факультет Каф СПГ Подземное и городское

ПНИПУ Строительный факультет Каф. СПГ Подземное и городское строительство УДК 692. 115 АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ФИБРОАРМИРОВАННОГО ПЕСКА ПРИ УСТРОЙСТЕ НАСЫПЕЙ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГ Выполнил: Колесова А. С. , ПГС 1 -14 -1 М Науч. Руководитель: асс. Гришина А. С. ПНИПУ, СФ, каф. СПГ 1 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М

Актуальность исследования Насыпь - грунтовое линейное сооружение, возводимое на трассе дороги в понижениях рельефа с целью сохранения необходимого заданного уровня. Рис. 1 Автомобильная насыпь 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. Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М

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. Рис. 2 Фибропесок 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. 3 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М

Цели и задачи исследования 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 4 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М

Апробация работы Научные конференции: 1. VII Всероссийская молодежная конференция аспирантов, молодых ученых и студентов «Современные технологии в строительстве. Теория и практика» 25 -27 марта 2015 г. ; 2. VIII Научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Геология в развивающемся мире» с международным участием» 23 -26 апреля 2015 г. ; 3. VII Международная заочная научно-практическая конференция «Наука в современном информационном обществе» 09 -10 ноября 2015 г. ; 4. VII Международная заочная научно-практическая конференция «Фундаментальная наука и технологии – перспективные разработки» 01 -02 декабря 2015 г. ; 5. VIII Всероссийская молодежная конференция аспирантов, молодых ученых и студентов «Современные технологии в строительстве. Теория и практика» 06 -08 апреля 2016 г. 5 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М

Научные публикации: 1. Колесова А. С. Поведение грунта под динамическими нагрузками//Геология в 2. 3. 4. 5. 6. 7. 6 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)

Анализ состояния вопроса 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. 7 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М Рис. 3 Полипропиленовые волокна

Патентное исследование 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» 8 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М

Методика проведения испытаний Применяемые материалы Несвязный грунт – песок Армирующий материал- фибра Табл. 2 Табл. 1 Плотность сухого грунта Удельный вес сухого гр. 1. 49 г/см 3 14. 61 к. Н/м 3 Коэффициент пористости 0. 68 Пористость 0. 41 Удельный вес грунта во 8. 66 к. Н/м 3 взвешенном состоянии Оптимальная влажность 8. 5% Плотность частиц грунта 2. 62 г/см 3 Тип песка (по ГОСТ 25100 -11) 9 т. Б 1 Мелкий песок Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М Материал Длина волокна Диаметр волокна Плотность Модуль упругости при изгибе Максимальное относительное удлинение при разрыве Полипропилен 12 мм 25 -35 микрон 0. 91 г/см 3 1050 Мпа 23%

Подготовка образцов Рис. 5 Образец фибропесчаного грунта Рис. 4 Фибра полипропиленовая 10 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М 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 %

Определение физических характеристик образцов 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 11 Рис. 7 Песчаная баня Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М Рис. 8 Отжим воды

Результаты испытаний по определению оптимальной влажности Выявлена зависимость плотности сухого грунта от влажности и степени (%) армирования. Внедрение фибры снижает способность грунта к уплотняемости. 1. 75 Грунт без фибры Содержание фибры 0, 5% Содержание фибры 1, 5% 1. 7 1. 65 1. 6 1. 55 1. 45 1. 72 1. 7 1. 68 1. 66 1. 64 1. 62 1. 6 6 8 10 12 14 Влажность , % Рис. 9 График зависимости ρсух. гр (ω) 12 1. 74 Плотность сухого грунта, г/см 3 График зависимости плотности сухого грунта (г/см 3) от влажности (%) Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М 0 0. 5 1 Содержание фибры, % Рис. 10 График зависимости ρсух. гр (% арм. ) 1. 5

Определение механических характеристик Проведены серии испытаний в приборе трехосного сжатия (КД) на боковую нагрузку 100, 200 и 300 к. Па и на вертикальную нагрузку (до разрушения) Рис. 11 Интерфейс 13 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М ГОСТ 12248 -2010 Рис. 12 Образец в приборе трехосного сжатия

Изменение φ и С в зависимости от степени армирования грунта 0. 08 49. 41 50 45 42. 62 40 39. 27 35 0. 075 0. 067 0. 06 0. 04 0. 037 0. 02 35. 03 30 0 0 0. 5 1 Процент армирования фиброй , % 1. 5 Рис. 13 График φ (% армирования) 14 Удельное сцепление, МПа Угол внутреннего трения, ° 55 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М 0 0. 5 1 Процент армирования фиброй , % 1. 5 Рис. 14 График С (% армирования) ГОСТ 12248 -2010

Критерий прочности Мора-Кулона Рис. 15 Критерий Мора-Кулона (теория внутреннего трения) для неармированного образца и образца с сод. фибры 0, 5% 15 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М

Выводы по экспериментальным исследованиям Табл. 3 Наименование 0% 0, 5% 1, 0% 1, 5% φ, ° ﹾ С, МПа 35, 03 0, 020 39, 27 0, 067 42, 62 0, 075 49, 41 0, 037 1. 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). 2. При 1, 5% армирования отмечено снижение характеристик, что объясняется тем, что фибра комкуется и неравномерно распределяется в грунте, образуя поверхности проскальзывания 3. Оптимальный вариант 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%. 16 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М

Аналитический расчет насыпи на устойчивость В качестве исследуемой модели была выбрана насыпь под автомобильные дороги IV категории. Материал насыпи – мелкий песок с уд. весом 18, 4 к. Н/м 3. Рис. 16 Геометрические параметры устойчивой неармированной насыпи Расчет производился на обеспечение общей устойчивости откосной части насыпи. Оползающий массив грунта смещается по криволинейной поверхности (круглоцилиндрическая поверхность скольжения) 17 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М

Аналитический расчет Для расчета откоса насыпи нагрузка от транспортных средств была приведена к эквивалентному слою грунта и составила 2, 44 м. Оценка устойчивости грунтового массива против сдвига сводится к условию: Ктр≤Кф В случае исходной насыпи: Рис. 17 Геометрические Ктр=Кф=1, 45 параметры устойчивой фиброармированной насыпи Для уменьшения пологости откоса методом перебора геометрических Фиброармирование параметров была подобрана позволяет уменьшить равнопрочная насыпь, материалом ширину основания насыпи и сократить расход песка которой является армированный грунт. 18 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М практически в 2 раза

Расчет с использованием ПК PLAXIS 2 D Рис. 18 Деформируемые схемы песчаной и фибропесчаной насыпей 19 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М Расчет в программном комплексе «PLAXIS 2 D» имеет незначительные расхождения с аналитическим расчетом, что подтверждает целесообразность и эффективность применения фибропеска для устройства насыпей под автомобильные дороги.

Сравнительный анализ расчетов Табл. 4 Параметр Аналитический расчет Расчет в ПК «PLAXIS» Песок Фибропесок К уст 1, 45 1, 53 Величина основания откоса 19, 50 м 4, 875 м 19, 50 м 6, 15 м Ширина основания насыпи 20 Фибропесок 49, 00 м 19, 75 м 49, 00 м 22, 30 м Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М

Технико-экономическое сравнение вариантов (по сметным расчетам) Табл. 5 Фибра, % 0% 0, 5% 21 Стоимость 1 м. п. без НДС, руб. 206 241, 00 124 931, 00 НДС 18%, руб. 37 123, 38 22 487, 58 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М Стоимость 1 м. п. с НДС, руб. 243 364, 38 147 418, 58 Δ Δ=95 945, 8 руб. Δ=39, 42%

Выводы: 1. Использование фиброармирования в транспортном строительстве эффективно; 2. Фиброармирование увеличивает удельное сцепление песка в 1, 85 -3, 75 раз, а угол внутреннего трения в 1, 121, 41 раз. 3. Оптимальное процентное содержание фибры – 0, 5%; 4. Результаты аналитического расчета практически совпадают с результатами в ПК «PLAXIS» (Δ≈13%), что подтверждает их достоверность. Фиброармирование уменьшает основание насыпей ≈ в 2 раза; 5. Фиброармирование насыпей снижает стоимость их возведения на 40%; 6. Рекомендуется использовать технологию армирования грунта полипропиленовыми волокнами при устройстве насыпей под автомобильные дороги. 22 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М

Спасибо за внимание! 23 Колесова А. С. , ПНИПУ, СФ, ПГС 1 -14 -1 М