Эффект армирования.

   ВЛИЯНИЕ СТРУКТУРЫ АРМИРОВАНИЯ ОСНОВАНИЯ ДОРОЖНОЙ ОДЕЖДЫ НА ЕГО ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА.

  Армирование грунтов геосинтетическими материалами все шире внедряется в практику дорожного строительства. Основание дорожной одежды, армированной объемной георешеткой в виде сотовой структуры с характерной ячейкой многоугольного очертания, представляет собой новый композитный конструктивно-анизотропный материал, обладающий управляемой анизотропией, которая зависит как от свойств грунта, так и от свойств георешетки. Каково влияние геометрических параметров армирующей структуры на упругие характеристики композита «грунт - георешетка» при заданном объеме армирующего материала? Теоретически установлено, что при уменьшении размеров характерной ячейки георешетки эффект армирования возрастает многократно.
  1. Геометрические параметры.
  Методы расчета дорожных одежд и армированных оснований разработаны в основном эмпирическим путем. Общим недостатком существующих методов является привлечение традиционных методик расчета конструкций со сплошными, однородными, изотропными слоями, для расчета армированных конструкций, являющихся по существу конструктивно-анизотропными.
  При армировании грунтов объемными георешетками в виде сотовых структур возникает проблема оценки влияния параметров структуры армирования на физико-механические свойства получившегося в результате армирования композитного слоя «грунт – георешетка».
  Строго говоря, ни грунты, ни синтетические материалы, из которых изготавливается георешетка, не обладают свойствами идеального упругого материала, а их диаграммы деформирования нелинейны. Поэтому излагаемый подход к построению расчетной модели армированного грунта в упругой постановке рассматривается в качестве первого приближения, которое в дальнейшем будет совершенствоваться.
  Каково влияние геометрических параметров армирующей структуры на упругие характеристики композита «грунт – георешетка» при заданном объеме армирующего материала? Для этого сформируем такую структуру армирования, которая позволяет моделировать реально существующие конструкции и обладает определенной гибкостью и универсальностью. Характерные ячейки такой структуры представлены на рис.1.


Характерные ячейки армирующей структуры.
Рис.1. Характерные ячейки армирующей структуры: а) гексагональная; б) ромбическая; в) прямоугольная.


  Наиболее универсальной является гексагональная ячейка (рис.1,а), которая может быть трансформирована как в ромбическую (рис.1,б), так и в прямоугольную (рис.1,в). Поскольку данная ячейка имеет две оси симметрии, совпадающие с осями X и Y, удобно рассматривать одну из ее четвертей, выделив в ней три прямолинейных элемента армирующей структуры и обозначив длину среднего элемента l (рис.2,а). Длины двух оставшихся, равных между собой элементов, обозначим как l1 и выразим их через длину среднего элемента l1= m l/2, где m – заданная константа.


Георешетки крепятся на поверхности грунта при помощи металлических или пластмассовых анкеров.
Рис.2. Фрагмент характерной ячейки армированного грунта.


  Общую длину трех армирующих элементов определим суммированием L = l + 2l1 = l(1+m). Для оценки влияния параметров структуры армирования на физико-механические свойства композитного слоя «грунт – георешетка» выделим  в качестве ведущих следующие параметры: b/a; m; L. И введем новый параметр y (рис.2,а), который будет определять из выражения y = b – 2l1. Принимая ведущие параметры в качестве исходных данных, выразим через них остальные геометрические параметры армирующей структуры… (подробное математическое решение опущено). Универсальность предложенной модели заключается в том, что изменением параметра m и угла наклона β можно изменять очертание характерных элементов армирующей структуры от ромбического до прямоугольного.
  2. Модель деформирования. Анализ результатов.
  Рассмотрим структурный подход к определению физико-механических свойств армированного грунта как композитного материала. Полагая, что все элементы ячейки находятся в упругом состоянии, выразим закон упругого деформирования эквивалентной композитной анизотропной среды в следующем виде σ = А ε. Здесь σ, ε – векторы-столбцы напряжений и деформаций; А – матрица упругих постоянных композитной среды… (подробное математическое решение опущено).
  Для оценки влияния армирования на упругие характеристики грунта вычислим в процентном отношении изменение модулей упругости получившегося композитного материала «грунт- георешетка» в сравнении с соответствующими упругими характеристиками грунта по формуле Ку = уу)x100% / Ву. Параметр К будем называть эффектом армирования для компонента Аij матрицы упругих постоянных А. Схемы армирующих структур, для которых проводились вычисления, показаны на рисунках. Результаты вычислений представлены на графиках, на которых изображены зависимости от параметра m эффекта армирования Кij для шести компонент матрицы А, расположенных на ее главной диагонали.


Изменение эффекта от армирования грунта.
Рис. 3. Изменение эффекта от армирования грунта в зависимости от параметра m объемной георешетки с относительными размерами ячейки b/a=1: а) при L=0,1 м; б) при L=0,2 м; в) при L=0.3 м.


  Эффект армирования для модуля упругости I рода в направлении оси Х возрастает с увеличением параметра m, достигая максимального значения 13,4% (рис.3,а) для структуры армирования, представленной на рис.2, в (b/a=1, m=1, L=0,1 м).
  Эффект армирования для модуля упругости I рода в направлении оси Y также возрастает в интервале от 2% до 13,4% при увеличении параметра m от 0 до1.
  Эффект армирования для модуля упругости I рода в направлении оси Z возрастает с увеличением параметра m, достигая максимального значения 31,8% (рис.3,а) для структуры армирования, представленной на рис. 2, в (b/a=1, m=1, L=0,1 м).
  Эффект армирования для модуля упругости II рода (модуля сдвига) в горизонтальной плоскости XY возрастает с увеличением параметра m уменьшается. Для ячейки с относительными размерами b/a =1  max K44=17.5% при m=0, L=0,1 м.
  Эффект армирования для модуля упругости II рода (модуля сдвига) в вертикальных плоскостях YZ и XZ увеличивается от 9,5 до 18,9%  с увеличением параметра m.
  В результате вычислений оказалось, что толщина упругого армированного слоя h, совпадающая с толщиной георешетки, не оказывает никакого влияния на упругие константы – компоненты матрицы А. При вычислениях, проводившихся при различных значениях параметра h (от 0,1 до 0,5 м) числовые значения постоянных в матрице А оставались без изменения.
  Полученные теоретические результаты сопоставимы с результатами экспериментальных исследований, касающихся эффекта армирования, выполненных профессором А. Н. Шуваевым.
  Итак, существует реальная возможность управления свойствами среды путем создания регулируемой ортотропии материалов. Дальнейшее развитие описанная модель армированного упругого слоя нашла при разработке теории расчета многослойных дорожных плит, армированных геосинтетическими материалами.

Сергей Матвеев, кандидат технических наук, профессор.


Подробно со статьей профессора С. Матвеева можно познакомиться в Югорском государственном университете Ханты-Мансийска.

 

Георешетка, фильтровальные материалы, - гeорeшeтка, анкеры для монтажа георешеток, фильтровальные ткани, рукава от производителя.