Scientific journal
Modern high technologies
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,899

NUMERICAL MODELLING TECHNIQUE OF THE HIGHWAYS ROAD CLOTHES BASES GEOGRID REINFORSMENTS

Mikhaylin R.G. 1
1 Far Eastern State Transport University
This article is devoted to experimental and theoretical research on reducing the the thickness of pavement layers in the structure of base of CAR road «Amur» (Chita – Khabarovsk) by geogrid reinforcement. Calculations of resilient deflection for road structure with regular and proposed methods with reduced base layers has been presented as well as the comparison analysis between design options for the pavement base. A geotechnical modeling using finite element methods in the software package FEM-models was chosen for the research of optimal solutions. Also, experimental research to determine the modulus of elasticity of the pavement by the rotary die was made and it was proved, that, in terms of deformability, the numbers are equal to regular design. Additionally, a set of experimental studies to determine the state of stresses at the base of the pavement on the operational loads with geogrid stress reduction was madeThe results of the tests were presented. Economic assess for geogrid usage were calculated too.
reinforcement of the base
pavement
geosynthetics
geogrids
numerical simulation
FEM Models
punching test
road

Экспериментальные исследования по снижению слоев конструкции основания дорожной одежды автомобильной дороги «Амур» (Чита – Хабаровск) км 1927 – км 1942 с использованием георешетки

В 2007 году были начаты экспериментальные и теоретические исследования, целью которых были изменения традиционной конструкции дорожной одежды, позволяющие выполнять строительные работы более технологично и без потери проектных параметров по деформативности и несущей способности конструкции в целом, а также сокращение стоимости [3–5]. Для улучшения свойств конструктивных слоев дорожных одежд была использована армирующая прослойка из интегрального геосинтетического материала – георешетка Tensar SS30 (Англия).

Расчет конструкции по допускаемому упругому прогибу

Согласно ОДН 218.046-01 «Проектирование нежестких дорожных одежд» [1], требуемый модуль упругости для дороги III категории с капитальным покрытием составляет 200 МПа.

Для достижения требуемого модуля упругости была подобрана конструкция дорожной одежды (рис. 1).

mihal1.tif

Рис. 1. Традиционная конструкция дорожной одежды

mihal2.tif

Рис. 2. Новая конструкция дорожной одежды с армированием

Расчетный общий модуль упругости исходной конструкции дорожной одежды равен 252 МПа.

Под расчетный общий модуль упругости 252 МПа была снижена мощность щебенистых слоев на 46 %, за счет армирования георешеткой слоя основания с коэффициентом усиления модуля упругости, равным 3,5. Конструкция дорожной одежды представлена на рис. 2.

Расчетный общий модуль упругости новой конструкции дорожной одежды идентичен с традиционной и равен 252 МПа.

Данную методику можно сравнить с методикой увеличения общего модуля упругости армированной дорожной конструкции при помощи коэффициента усиления a1 по ОДМ 218.5-002-2008 [2].

mih01.wmf.

Рассчитанный по ОДМ 218.5-002-2008, общий модуль упругости новой конструкции с армированием составит 286 МПа, что превышает на 13,5 % (252 МПа) результат расчета по разработанной методике.

Для предложенного метода определения модуля упругости слоя основания дорожной одежды автомобильной дороги, армированного георешеткой, проведено численное моделирование конструкций.

Геотехническое моделирование

Геотехническое моделирование вариантов конструкции дорожной одежды для обоснования оптимального геотехнического решения выполнено с использованием программного комплекса «FEM models».

Главным критерием оценки стабильности и долговременной прочности конструкции принят прямой параметр – максимальные величины упругих деформаций сооружения под нагрузками, полученные методом математического моделирования.

Для описания работы конструкции автодороги применялась упругопластическая модель с предельной поверхностью. Выбор этой модели обусловливается тем, что ее параметры могут быть взяты из имеющихся материалов стандартных инженерно-геологических изысканий. В такой постановке численные расчеты хорошо согласуются с традиционными инженерными методами расчета деформаций и позволяют с достаточной точностью описать напряжённое состояние и деформирование сооружений.

При рассмотрении поставленных задач проводилось численное моделирование напряженно-деформированного состояния конструкции двухполосной автодороги «Амур» без усиления и с усилением интегральной георешеткой ss-30 с нагрузкой на ось автомобилей 100 кН. Физико-механические характеристики тела земляного полотна приняты, согласно исходным данным для видов материалов конструкции сооружения, по ОДН 218.046-01 и СНиП 2.02.01-83*.

По результатам численного моделирования традиционной и оптимизированной конструкций автомобильной дороги, максимальные деформации получились практически одинаковыми и составляют до 5 мм (рис. 3).

mihal3.tif

Рис. 3. Изолинии вертикальных деформаций конструкции автомобильной дороги от расчетной нагрузки с усилением основания дорожной одежды георешеткой

Снижение деформаций в конструкции дорожной одежды и теле земляного полотна при усилении «псевдоплитой» с интегральным геоматериалом SS-30 происходит в 1,5–1,7 раза интенсивнее, чем в проектной (исходной) конструкции.

Изолинии «нулевых» вертикальных деформаций на проектной конструкции сдвинуты к бровке обочины, а на предлагаемой конструкции (усиленной геоматериалом SS) – ближе к краю дорожного покрытия, что указывает на положительный эффект усиления. А также наблюдается некоторое уменьшение деформаций на поверхности проезжей части по оси автодороги.

Экспериментальные исследования по определению модуля упругости дорожной одежды

Работы по оценке прочности построенной дорожной конструкции с асфальтобетонным покрытием федеральной дороги «Амур» проводились совместно с независимой экспертизой ООО ГИП «Азимут». Методика полевых испытаний дорожной одежды по ВСН 52-89, ВСН 46-83 и ГОСТ 20279-99, для II дорожно-климатической зоны.

При проведении линейных испытаний было использовано оборудование для испытаний штампом фирмы «ТЕSTING» (рис. 4). Для контроля качества уплотнения принят жесткий штамп круглой формы диаметром 300 мм.

mihal4.tif

Рис. 4. Испытания дорожной одежды штампом

mihal5.tif

Рис. 5. Установка месдоз

На обследованном участке с традиционной конструкцией (без армирования) дорожной одежды фактический модуль упругости равен от 259,60 МПа до 281,66 Мпа, что на 3,0×11,8 % больше от расчетного 252 МПа.

На участке с дорожной одеждой, с уменьшенными слоями и усиленной силовым геоматериалом, фактический модуль упругости равен от 254,93 МПа до 295,47 МПа, на 1,2×17,3 % больше от расчетного 252 МПа.

Из вышесказанного следует, что конструкции с точки зрения деформативности практически одинаковы.

Экспериментальные исследование по определению напряжений в основании дорожной одежды

Для определения напряжений использовались месдозы, подключаемые к цифровой станции, которая записывала результаты измерений. Месдозы были установлены в двух сечениях дорожной одежды, на границе между щебнем и крупнообломочным грунтом (рабочим слоем). В каждом сечении находились по три месдозы, две из которых измеряли горизонтальные напряжения (по оси и под местом проезда колеса), а одна – вертикальные (под проездом колеса). Первое сечение соответствует традиционной конструкции дорожной одежды, а второе – предлагаемой, с усилением георешеткой. Экспериментальные сечения расположены на км 1927 пк 3 + 10 и ПК 3 + 20.

По результатам исследования напряжений в основании дорожной одежды под георешеткой наблюдается снижение напряжений горизонтальных от 13 % до 41 %, а вертикальных от 36 % до 39 %.

Наблюдения за деформациями насыпи и дорожной одежды

С целью определения деформаций конструкции земляного полотна на его откосе было заложено 9 точек наблюдения, измерения которых выполнялись путем нивелирования.

По результатам наблюдений 4-го года эксплуатации дорожных одежд отмечено затухание и снижение вертикальных деформаций конструкции, усиленной георешеткой, от 27 % до 46 %. Вертикальные деформации конструкции дорожной одежды без усиления к 4-му году не затухающие.

Экономическая оценка применения георешетки

Применение георешетки в качестве армирующей прослойки в щебенистой среде позволило снизить слои дорожной одежды:

1. Щебеночно-песчаная смесь С5 на 50 мм (200–150 мм).

2. Щебень, фракцией 5–40 мм, на 220 мм (370–150 мм).

Экономия на 1 кв.м дороги составляет 60,54 рублей.

Экономия на 1 км дороги, при ширине армирования 8 м, составляет 484 320,00 рублей.

В данном расчете не учтены затраты на транспортировку и работу механизации по укладке материалов.

Средняя цена материалов за I квартал 2016 г.

Материал

Ед. изм.

Объем, на 1м2 дороги

Цена, руб

Итого, руб

1

Щебеночно-песчаная смесь С5

м3

0,05

542,80

27,14

2

Щебень, фракцией 5–40 мм

м3

0,22

970

213,40

3

Георешетка SS30

м2

1,0

180

180

Выводы

1. На опытно-экспериментальном участке федеральной автомобильной дороги «Амур» (Чита – Хабаровск) на км 1927 – км 1942 предложена усовершенственная конструкция дорожной одежды со снижением толщины основания дорожной одежды на 46 %.

2. Обеспечен требуемый модуль упругости армированной дорожной одежды с уменьшенными слоями основания дорожной одежды.

3. По результатам эксперименталных исследований в основании дорожной одежды под георешеткой наблюдается снижение напряжений горизонтальных от 13 % до 41 %, а вертикальных от 36 % до 39 %.

4. По результатам наблюдений 4-го года эксплуатации дорожных одежд отмечено затухание и снижение вертикальных деформаций конструкции, усиленной георешеткой, от 27 % до 46 %. Вертикальные деформации конструкции дорожной одежды без усиления к 4-му году не затухающие.

5. Численное моделирование НДС усиленной конструкции дорожных одежд показало общую величину деформации до 5 мм, что показывает на эффективность данного конструктивного решения.

6. Экономическая эффективность применения георешетки со снижением щебенистых слоев дорожной одежды, по средним ценам на материалы за I квартал 2016 г., на 1 м2 данного участка дороги составляет 60,54 рублей, а на 1 км дороги, при ширине армирования 8 м, составляет 484 320,00 рублей, без учета затрат на транспортировку и работу механизации по укладке материалов.