Расчет устойчивости откоса насыпи

Колесова Анастасия Сергеевна

Магистрант гр. ПГС1-14-1М (Специальность «Подземное и городское строительство»), каф. Строительного производства и геотехники, Строительный факультет, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

a.kolesova91@gmail.com, +79097276661

Шаньгина Юлия Михайловна

Магистрант гр. ПГС1-14-1М (Специальность «Подземное и городское строительство»), каф. Строительного производства и геотехники, Строительный факультет, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

lisenokismyname@mail.ru, +79028346787

 

 

Аннотация:В настоящее время широко распространено строительство таких сооружений, как насыпи, подпорные стены. Для их создания используются преимущественно песчаные грунты. Грунты испытывают значительные нагрузки, которые часто ведут к нарушению структуры оснований. В работе исследуется технология армирования песчаных грунтов полипропиленовыми дискретными волокнами. В ходе исследований установлено, что внедрение в песок дискретных волокон положительно влияет на сдвиговые параметры: удельное сцепление (c, МПа) и угол внутреннего трения (φ, ﹾ). Это увеличивает способность грунта сопротивляться внешним нагрузкам и удерживать внутренние напряжения. Произведены аналитические расчеты на определение устойчивости откосов насыпей и определение активного давления обратной засыпки подпорных стен. Данные расчеты проверены в программном комплексе «PLAXIS-2D». Полученные результаты доказывают эффективность применения предложенной технологии армирования грунта.

 

Abstract: Currently there is a widespread construction of such structures as embankments, retaining walls. To create such facilities are used predominantly sandy soils. Soils are experiencing significant burden, often leading to disruption of the structure of reasons. This article examines a method of reinforcement of sandy soils polypropylene discrete fibers. During researches it is established that the introduction into the sand of discrete fibers has a positive effect on shear parameters: specific cohesion and angle of internal friction. This increases the ability of soil to resist to external loads and to hold the internal voltage. Produced analytical calculations for determination of stability of slopes of embankments and determination of active pressure backfill of retaining walls. These calculations are checked in the software system "PLAXIS 2D". The results obtained prove the efficacy of the proposed technology of soil reinforcement.

 

Введение

В настоящее время все сильнее развивается транспортное и городское строительство. К самым распространенным сооружениям можно отнести насыпи автомобильных дорог и подпорные стены. Одной из главных проблем применения таких грунтовых сооружений является неэффективное использование площадей городских территорий. Данную проблему можно решить путем уменьшения основания насыпей с целью повышения рентабельности и уменьшения активного давления обратной засыпки подпорных стен. Это возможно благодаря армированию грунта. В статье исследуется технология армирования грунта полипропиленовыми дискретными волокнами.

Целью работы является исследование эффективности влияния фиброармирования на геометрические параметры насыпей и на величину активного давления грунта обратной засыпки.

Задачи исследования включают в себя анализ состояния вопроса, проведение лабораторных экспериментальных исследований по определению физических и механических характеристик песков и фибропесков.

Технология фиброармирования предполагает создание композитного материала путем внедрения коротких дискретных полипропиленовых волокон с дальнейшим равномерным распределением по всему объему грунтового массива.

Анализ нормативной и технической литературы показал, что данная строительная отрасль изучена недостаточно и есть необходимость в дополнительных исследованиях по этому вопросу.

На первом этапе исследования были проведены лабораторные испытания с целью определения физических характеристик песков и фибропесков.

В качестве исходных материалов для подготовки образцов были взяты песок и фибра. Физические параметры песка и технические параметры фибры указаны в таблице 1 и таблице 2 соответственно. Для проведения были подготовлены следующие образцы: неармированный песок, песок с содержанием фибры 0,5%, 1% и 1,5%.

 

Таблица 1

Физические параметры песка

Плотность сухого грунта 1.49 г/см3
Удельный вес сухого грунта 14.61кН/м3
Удельный вес грунта во взвешенном состоянии 8.66кН/м3
Оптимальная влажность 8,5%
Плотность частиц грунта 2,62г/см3
Тип песка (по ГОСТ 5100-11) Мелкий песок

 

Таблица 2

Технические параметры фибры

Материал Полипропилен
Длина волокна 12мм
Диаметр волокна 25-35микрон
Плотность 0.91г/см3
Модуль упругости при изгибе 1050 Мпа
Максимальное относительное удлинение при разрыве 23%

 

В ходе исследования были определены гранулометрический состав по ГОСТ 30416-96, плотность частиц грунта по ГОСТ 5180-84, оптимальная влажность по ГОСТ 22733-2002.

а) б)

Рисунок 1. а) Образец фиброармированного грунта; б) Фибра полипропиленовая

 

Выявлена зависимость плотности сухого грунта от влажности и степени армирования. Данная зависимость отражена на графиках (Рисунок 2 и Рисунок 3).

 

Рисунок 2. График зависимости плотности сухого грунта от влажности

 

Рисунок 3. График зависимости плотности сухого грунта от процента содержания фибры

Внедрение полипропиленовых волокон снижает плотность грунта. Оптимальная влажность составляет 8,5%.

Следующим этапом исследования было моделирование статического нагружения в приборе трехосного сжатия по ГОСТ 12248-2010. Были проведены серии консолидированно-дренированных испытаний на боковую нагрузку 100,200 и 300 кПа и на вертикальную нагрузку с целью определения сдвиговых параметров.

Результаты данных испытаний представлены на графиках (Рисунок 4 и Рисунок 5).

 

Рисунок 4. График зависимости угла внутреннего трения от процента армирования грунта фиброй

 

Рисунок 5. График зависимости удельного сцепления от процента армирования грунта фиброй

 

Разрушение неармированного образца можно классифицировать как хрупкое разрушение - «скол» с характерной плоскостью среза (Рисунок 6, а). Армированные образцы при разрушении имели «бочкообразную» форму (Рисунок 6, б). Изменение формы образца при разрушении связано с тем, что полипропиленовые волокна способствуют устранению локализации деформаций, позволяя накапливать их постепенно.

а) б)

Рис. 6 а) Разрушение неармированного образца; б) Разрушение армированного образца

Для наглядного подтверждения результатов приведен критерий Мора-Кулона, также известный как теория внутреннего трения (Рисунок 7). При нагружении грунты работают преимущественно на сдвиг по поверхности с наименьшей несущей способностью. Поэтому сдвиговая прочность является определяющей прочностной характеристикой для грунтов. На графиках отчетливо видно, что армированный образец имеет более высокие прочностные характеристики, чем образец, не содержащий полипропиленовые волокна. Это объясняется тем, что с увеличением процентного содержания полипропиленовых волокон, увеличивается и внутренняя адгезия, которая образуется путем контакта песка и дискретных волокон.

 

Рисунок 7. Критерий Мора-Кулона

 

Внедрение полипропиленовых волокон в грунтовый массив в качестве армирующих элементов положительно влияет на механические свойства грунта. Это достигается за счёт увеличения сдвиговых критериев прочности: удельного сцепления и угла внутреннего трения.

При 1,5% армирования отмечено снижение характеристик, что объясняется тем, что фибра комкуется и неравномерно распределяется в грунте, образуя поверхности проскальзывания. Оптимальным вариантом армирования является внедрение полипропиленовых волокон в количестве 0,5%. При 1% расход материала увеличивается в 2 раза, а характеристики грунта меняются незначительно.

Расчеты устойчивости насыпей и активного давления подпорных стен производим для неармированного образца и образца с содержанием фибры 0,5 %.

 

Расчет устойчивости откоса насыпи

В качестве исследуемой модели была выбрана насыпь под автомобильные дороги IV категории. Материал насыпи – мелкий песок с удельным весом 18,4 кН/м3. Геометрическая схема неармированной насыпи представлена на рисунке 8.

За основание были взяты тугопластичные суглинки (распространенные на территории Пермского края) со удельным сцеплением С=28кПа.

Рисунок 8. Геометрическая схема неармированной насыпи

Расчет производился на обеспечение общей устойчивости откосной части насыпи. Откосы насыпей под влиянием нагрузок стремятся принять более пологое очертание. Оползающий массив грунта смещается по криволинейной поверхности, которую принято считать круглоцилиндрической поверхностью скольжения.

Для данной геометрической схемы была определена нормативная нагрузка. Для расчета откоса насыпи нагрузка от транспортных средств была приведена к эквивалентному слою грунта земляного полотна и составила 2,44 м.

Оценка устойчивости грунтового массива против сдвига сводится к проверке условия:

, (1)

где - фактический коэффициент устойчивости;

- требуемый коэффициент устойчивости.

Фактический коэффициент устойчивости характеризует отношение моментов суммарной силы, удерживающей оползающую часть массива и моментов сдвигающей силы. В случае исходной насыпи получили следующее равенство:

(2)

Для уменьшения пологости откосов была подобрана равнопрочная насыпь, материалом которой является армированный грунт, представляющий собой композитный материал, состоящий из мелкого песка, смешанного с дискретными полипропиленовыми волокнами длиной 12 мм. Содержание волокон составляет 0,5% от массы массива грунта. Схема армированной насыпи представлена на рисунке 9.

Рисунок 9. Геометрическая схема армированной насыпи

 

С целью корректировки полученных результатов был проведен аналогичный расчет с использованием программного комплекса «PLAXIS-2D». Результаты расчета представлены на рисунке 10. Сравнение аналитического и численного расчетов представлены в таблице 3.

 

Рисунок 10. Деформируемая схема неармированной и армированной насыпи

 

Таблица 3

Сравнение результатов расчета насыпей

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 м 4,875 м 19,5 м 6,15 м
Ширина основания насыпи 49,0 м 19,75 м 49,0 м 22,3 м

 

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. Данная технология позволит сократить расход песка (для возведения насыпей) практически в 2 раза и значительно уменьшить основание насыпи.