Анализ и проблемы исследований армированных геосинтетическим материалом подушек

Аннотация

Приведены основные этапы и результаты исследований, посвященные изучению применения геосинтетических материалов в армировании грунтового массива. Показана область применения геосинтетических материалов, сделан обзор наиболее значимых теоретических и экспериментальных исследований в области армирования оснований объемными георешетками, а также выявлены основные проблемы, препятствующие широкому применению в строительной практике геосинтетиков.

В настоящее время значительное распространение в геотехнической практике строительства получили методы улучшения грунтов с помощью геосинтетических материалов, которые используются для армирования грунтовых массивов. Это связано с тем, что армирование основания дает возможность использовать местный грунт на строительной площадке. Армирование оснований фундаментов позволяет повысить прочностные и деформационные свойства грунта и при этом снизить затраты на устройство нулевого цикла. Армирование грунта создает под подошвой фундамента более жёсткую область, чем окружающий массив, что приводит к увеличению прочности основания. Растягивающие напряжения на арматуру передаются за счёт сил трения по контактной поверхности. Армирование грунта геосинтетическими материалами позволяет снизить осадку основания и повысить несущую способность основания в 2-3 раза.

Армирование грунта является перспективным направлением в строительстве, позволяющее улучшить строительные свойства грунта. Хотя метод является относительно новым, но армирование грунта применяется уже давно. Например, при строительстве некоторых участков Великой Китайской стены (200 лет до н.э.), смесь глины с гравием армировалась ветвями тамариска, римляне в качестве арматуры при строительстве дамб использовали тростник, , саманные постройки(в 4-5 тысячелетии до н.э.) в странах Азии, России, Украине и Молдавии, а также в России в заболоченной местности использовались гати (1144 г.) и слани. В 1822 г. английский полковник Песли провел серию опытов и доказал, что армированная горизонтальными слоями из хвороста, досок или холста обратная засыпка значительно снижает боковое давление на подпорную стену. В 1925 в США Манстер провел серию исследований по армированию грунта с применением элементов из дерева и облегченной облицовки и минимизировал осадку материала обратной засыпки. В 1960-х годах Видаль разработал композитный материал и впоследствии запатентовал как “армированный грунт”, который в виде армирующих полос укладывался в грунт, а взаимодействие армирующих элементов и грунта обеспечивалось силами трения. Армирование грунта на основе концепции Видаля применялось во Франции (1968г.) с использованием металлических швеллеров, в США (1972), в Великобритании (1973). В 1970 г. в качестве армирующего элемента начали применять элементы крестообразной формы из железобетона. Работы Видаля послужили толчком для развития конструкций из армированного грунта, в 1974 г. в США были предложены к применению тканевые материалы и внедрены ячейки, или сетки, выполняющие роль армирующих элементов. В 1960-70 годах в качестве армирующих элементов использовались металлические изделия в виде полос и сеток, а с 1980-х годов стали применяться различные геосинтетические материалы (геоткань, геосетки, геомембраны, георешетки и т.д.).

Область применения геосинтетических материалов обширна, они применяются в строительстве дамб, плотин, каналов, подпорных стен, насыпей, в конструкциях дорожных одежд автомобильных, железных дорог и взлетно-посадочных полос, в укреплении сводов шахт, стен, тоннелей, откосов, в гидроизоляции подземной части фундаментов зданий и сооружений, используются в защите откосов от эрозии, в усилении грунта оснований гражданских и промышленных зданий и сооружений. Применение геосинтетических армирующих элементов снижает затраты на устройство основания, а также снижает дополнительные траты на доставку материалов, замену грунта, технологию устройства основания и сокращает сроки производства работ.

В основном геосинтетические материалы применяются для устройства протяженных объектов, с шириной много меньше его длины. Широкое применение как в России, так и в зарубежном строительстве геосинтетики получили в усилении слабых грунтовых оснований автомобильных и железных дорог, насыпей , подпорных стен, укреплении откосов. Область применения геосинтетических материалов непрерывно расширяется, благодаря улучшению прочностых, геометрических и качественных показателей, расширению номенклатуры геосинтетических материалов, созданию нормативной базы, разработке и совершенствованию автоматизированных методов расчета и подбора армирующих материалов. В качестве основания под фундаменты армированный грунт практически не используется. Имеются примеры использования уплотненных грунтовых подушек из различных материалов, армированных геосинтетическими материалами, в качестве искусственных оснований под фундаментами промышленных и гражданских зданий и сооружений. Однако в настоящее время область их применения в РФ и странах СНГ неоправданно ограничена, что связано с отсутствием опыта применения и соответствующих исследований по устройству и проектированию армированных грунтовых подушек в сложных инженерно-геологических условиях. В настоящее время зарубежными и отечественными исследованиями активно развиваются методические аспекты, посвященные расчету армогрунтовых конструкций.

Интенсивное внедрение геосинтетического материала в строительство в России произошло в конце 20в., за последние 10-15 лет накопилась научная база работ, посвященных методикам расчета армогрунтовых конструкций для улучшения свойств слабых грунтов основания зданий и сооружений, теоретическим и экспериментальным исследованиям влияния армирования на грунт.

Различными исследователями и организациями выполняется достаточно широкий спектр исследований в области геосинтетических материалов.

Так в работе Гаева Д.А, Гавриш В.В. [9] рассматриваются преимущества и области применения современных геосинтетических материалов, применяемых в строительстве, таких как: геосинтетики, геомембраны, объемные и армированные георешетки, тоннельные сетки, гидроматы. Данные материалы широко используются в капитальном строительстве- промышленном, гражданском, гидротехническом, транспортном и дорожном. Более 20 лет такие геосетки успешно используют в Канаде и на Аляске, имеющие сходные климатические и гидрогеологические условия с российскими. Среди преимуществ георешетки (гидромата) выделяются: стойкость к коррозии, маслостойкость, щелочестойкость, большая несущая способность конструкции, высокая разрывная нагрузка шва (до 26 МПа), возможность использования местных строительных материалов, снижение стоимости строительства, увеличение дренирующих свойств грунтов, повышение стойкости конструкций к динамическим нагрузкам, большой срок службы ( не менее 50 лет), стабилизация осадки грунтов основания. А областью применения, в том числе, является и армирование оснований и конструктивных слоев промышленных площадок, зданий и сооружений.

Марасанов А.И. и Фимкин А.И. приводят результаты статического анализа характеристик вязоупругих свойств материала георешеток различных типов при растяжении. В работе [8] показано, что материал георешеток обладает свойствами нелинейной ползучести, а также предлагаются зависимости, позволяющие прогнозировать уровень деформации в тот или иной момент времени.

В своей работе [6] Логинова И.И., Артамонова Д.А., Столяров О.Н. и Мельников Б.Е. исследовали вязоупругие свойства при кратковременных измерениях различных геосинтетических материалов (геоткань, геосетка, георешетка). В результате пришли к выводу о том, что структура геосинтетического материала сильно влияет на его вязоупругие свойства, представленные в работе зависимости позволяют сделать предварительный подбор геосинтетика по необходимым вязоупругим характеристикам.

Пономаревым и Офрихтер в своей работе [5] провели обзор основных исследований в области изучения геосинтетических материалов, а также выявлены проблемы их применения.

Много экспериментальных и теоретических исследований посвящено армированию песчаных подушек.

В работе белорусских исследователей Лыщик П.А., Макаревич С.С., Красовского С.В. [12] рассматривается влияние объемной георешетки на сдвиговую прочность композита “грунт-георешетка”. Используя теорию Кулона-Мора при рассмотрении предельных сдвигающих напряжений, авторы приходят к выводу, что георешетка имеет одинаковое сопротивление сдвигу во всех направлениях и позволяет увеличить сцепление, а следовательно и предельное сопротивление сдвигу. А влияние георешетки на прочность армированного слоя предлагается оценивать коэффициентом армирования, зависящего от геометрических параметров георешетки, таких как: толщина ребра, длина грани и угла ɑ.

В работе Баданина А.Н., Колосова Е.С. [11], посвященной определению несущей способности армированного георешеткой грутнового основания, предложено решение пространственной задачи методами решения плоской задачи за счет ввода коэффициентов пространственной работы, а также предложен способ определения оптимальных параметров заглубления и размеров георешетки.

В работе Матвеева С.А., Литвинова Н.Н. [4] проведены штамповые испытания двухслойного основания, армированного геосеткой, и определен эффект армирования по прогибу и модулю деформации, выявлена зависимость между размерами ячеек и крупностью заполнителя.

В работе [7] Матвеев С.А. предлагает для оценки влияния армирования грунта использовать уравнение, устанавливающее связь между упругими постоянными конструктивно-анизотропного материала, характеристиками исходной среды, характеристиками армирующей структуры и ее геометрическими параметрами. Полученные теоретические результаты дали высокую сходимость с другими экспериментальными исследованиями.

Татьянников Д.А., Пономарев А.Б., Клевеко В.И. в своей работе [10] рассматривают экспериментальные исследования по определению механических характеристик геосинтетических материалов, на основе которых возможна разработка методики расчета несущей способности армированных фундаментных подушек.

В другой своей работе [14] Татьянников Д.А,, Пономарев А.Б., Клевеко В.И. проводят модельные штамповые испытания, в результате которых авторы приходят к выводу о том, что наиболее эффективно использовать армирование грунта в рыхлых, техногенных, обладающих большой деформативностью грунтах, чем в уплотненных, а также к целесообразности применения двухслойного армирования, а не однослойного.

Клевеко В.И. в работе [18] проводит экспериментальные модельные испытания армированного глинистого грунта, в результате которых приходит к выводу об эффективности армирования глинистого грунта, т.к. армирование повышает несущую способность в 2 раза. Также делается вывод о том, что удельная несущая способность однослойного армирования грунта в 1,6 раз выше, чем при двухслойном армировании. Для проверки модельных испытаний были проведены натурные штамповые испытания, которые также показали эффективность армирования глинистого грунта. Также проведенное численное моделирование с помощью программы PLAXIS показало высокую сходимость с экспериментальными данными, что позволяет проводить расчет армированного грунта с достаточной степенью точности.

Скутин А.И., Смердов М.Н., Смердов Д.Н. в своей работе [16] с помощью програмного комплекса ANSYS, реализующего метод конечных элементов, исследуют напряженно-деформированное состояние армированного геосинтетическими материалами грнута. В результате расчета были получены графики просадки от приложенной нагрузки, а также картины распределения напряжений в грунте. Объемная георешетка способствовала более равномерному распределению нагрузки в массиве грунта, а также дала более высокое значение нагрузки при одинаковой осадке.

В своей работе Беляев В.С. [3] описывает испытания армированного грунта динамической нагрузкой. Проведенные испытания подтвердили сейсмостойкость армированного массива грунта в условиях многократного динамического загружения, сейсмическому воздействию землетрясений 7-8 баллов.

В статье Бай В.Ф., Краева А.Н. [2] представлены результаты экпериментального исследования работы площадных фундаментов на слабых глинистых грунтах с усилением основания армированной песчаной подушкой. В результате были сделаны выводы о том, что армирование геосеткой снижает осадку на 20 % в сравнении с неармированной песчаной подушкой и на 30 % в сравнении с глинистым основанием без мероприятий. А также был сделан вывод, что криволинейное очертание подошвы фундамента обеспечивает более равномерное распределение напряжений, уменьшает осадку и увеличивает несущую способность.

В работе Краева А.Н. [15] для изучения влияния армирования на песчаную подушку использовался метод фотофиксации, а также рассматривалось влияние криволинейной опорной поверхности на работу грунтового основания, в результате проведенного эксперимента выявлено уменьшение глубины зоны распространения деформаций и уменьшение осадки в 2,5 раза.

В работе Усманова Р.А. [1] рассмотрены возможности расширения области применения уплотненных грунтовых подушек в практике промышленного и гражданского строительства. Проведен анализ результатов экспериментально-теоретических исследований высокоуплотненных, а также армированных высокопрочными геосинтетическими материалами грунтовых подушек в условиях слабых и сильносжимаемых грунтов. Анализ результатов исследований по вычислению осадок фундаментов на искусственных основаниях из высокоуплотненных и армированных подушек на слабых грунтах показывает, что их осадки не представляется возможным определить ни одним из существующих методов. В работе для практического применения были разработаны и предложены инженерные и численные методы расчета осадок фундаментов на искусственных основаниях.

Работа Антонова В.М. [13] посвящена исследованиям взаимодействия грунтовой матрицы и арматуры. В качестве засыпки использовались глинистые и песчаные грунты, а также многослойные основания и основания с включениями слабых прослоек и линз. Для армирования применялись различные материалы – металлические стержни, полосы и сетки, пластик, геоткань, геосетки, резина. Рассматривались случаи центрального нагружения штампов и моделей с различным заглублением. В работе проводились серии штамповых испытаний посвященных исследованию влияния армирования на несущую способность песчаного и глинистого основания. Эксперименты при армировании песчаного основания показали, что до глубины 0,2D происходит нарастание несущей способности, а при дальнейшем заглублении – её падение. При расстоянии до армирующего элемента, равным и более D, влияние армирования на несущую способность практически не сказывается. Эксперименты показали, что за счет армирования величина разрушающей нагрузки возрастала до двух раз, относительная осадка понизилась до 3-х раз при одинаковом давлении на основание Р=300 кПа. Была определена оптимальная глубина расположения арматуры – 0,2 D. Анализ исследования многослойного армирования показал, что расстояние между армирующими элементами и количество слоев армирования оказывает значительное влияние на несущую способность основания. Максимальный эффект наблюдался при расположении первого и второго слоя арматуры на глубинах h_s1=0,2D и h_s2=0,4D от подошвы штампа. Объясняется это тем, что при однослойном армировании h_sopt=0,2D, этот верхний слой при двухярусном армировании может рассматриваться как подошва фиктивного фундамента. Тогда второй слой, расположенный на глубине 0,2D под первым, будет находиться в зоне максимальных растягивающих напряжений (D-размер штампа).

Группа зарубежных ученых из Германии и Нидерландов A.Ruiken, M. Ziegler, L.Vollmert, S.Hohny в своей статье [17] описали результаты своих экспериментальных исследований о влиянии на грунтовый массив армирования георешеткой. Исследования проводились для составления объективной картины поведения армированного грунта и для разработки рекомендаций по экономичному проектированию таких конструкций. Для исследования кинематического поведения «геокомпозита» использовался метод корреляции изображений.

Несмотря на большое количество исследований и экспериментов в области применения армирования оснований промышленных и гражданских зданий и сооружений, до сих пор не существует единой методики по расчету армогрунтовой конструкции основания, имеются лишь частные разработки научных исследователей или компаний, предлагающих свои программные продукты для расчета данных оснований. При этом большинство существующих методов расчета армированного основания носят приближенный характер – имеют низкий уровень соответствия расчетных схем реальным условиям работы армирующих элементов в грунтовом массиве, так как не в полной мере учитывают особенности работы армирующего материала в грунте. В своем большинстве исследования в области применения геосинтетических материалов для армирования оснований фундаментов промышленных и гражданских зданий и сооружений только подготавливают для разработки метода расчета и нормативной базы. Данный факт осложняет применение геосинтетических армирующих элементов в строительной практике. Комплексный подход, выработка четких критериев оценки, подготовка инженерных кадров способствовала бы выработке нормативных документов и методик расчета, отражающих реальную работу армированного грунта.

Библиографический список

1. Усманов Р.А. Повышение эффективности применения уплотненных грунтовых подушек на слабых грунтах // Вестник МГСУ. 2013. № 5. С. 69—79.
2. Бай В.Ф., к.т.н. Краев А.Н. Экспериментальные исследования работы площадных фундаментов на слабом глинистом основании, усиленном песчаной армированной подушкой. с. 72-75.
3. Беляев B.C. Испытания армогрунтовых конструкций .с. 33-35.
4. Матвеев С.А., Литвинов Н.Н. Определение деформационных характеристик щебеночно-песчаного основания, армированного стальной геосеткой// Вестник СибАДИ. 2013. № 4. С. 57—61.
5. Пономарев А.Б., Офрихтер В.Г. Анализ и проблемы исследований геосинтетических материалов в России// Вестник ПНИПУ. 2013. № 2. С. 68—73.
6. Логинова И.И., Артамонова Д.А., Столяров О.Н., Мельников Б.Е. Влияние структуры на вязкоупругие свойства геосинтетических материалов//Magazine of Civil Engineering, № 4, 2015
7. Матвеев С.А. Влияние структуры армирования на физико-механические свойства композита “грунт-георешетка” С. 65—73.
8. Марасанов А.И., Фимкин А.И. Исследование вязкоупругих свойств материала георешеток различных типов. Механизация строительства. 2014. № 6. с. 33-36.
9. Гаев Д.А., Гавриш В.В. Современные геосинтетические материалы и области их применения в строительстве. Будущее науки-2013. Том 2. с. 131-139.
10. Татьянников Д.А., Пономарев А.Б., Клевеко В.И. Исследования механических характеристик геосинтетических материалов для разработки методики расчета несущей способности армированных фундаментных подушек. АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 1 . 2015 .с.84-89.
11. Баданин А.Н., Колосов Е.С. Определение несущей способности армированного георешеткой грунтового основания. Инженерно-строительный журнал. 2012. № 4. с. 25-32.
12. к.т.н.,доц. Лыщик П.А., к.т.н. Макаревич С.С., асп. Красковский С.В. Сопротивление сдвигу грунта, армированного объемной георешеткой. Вестник БНТУ, № 4, 2007. с. 5-8.
13. Антонов В.М., Экспериментальные исследования армированных оснований: монография/ В.М. Антонов-Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011.-80с.-100экз.-ISBN 978-5-8265-1006-3.
14. Татьянников Д.А., Пономарев А.Б., Клевеко В.И. Анализ работы армированного основания на основе штамповых модельных испытаний, Вестник ПНИПУ. Урбанистика 2012 № 4.
15. Краев А.Н. Экспериментальные исследования работы слабого глинистого основания, усиленного песчаной армированной подушкой с криволинейной подошвой/ научно-технический вестник Поволжья № 5 2013.
16. Скутин А.И., Смердов М.Н., Смердов Д.Н. Исследование напряженно-деформированного состояния земляного полотна, усиленного геосинтетическими материалами. Екатеринбург УДК 625.123
17. A.Ruiken, M. Ziegler, L.Vollmert, S.Hohny Investigation of the compound behavior of geogrid reinforced soil
18. Клевеко В.И., Исследование работы армированных глинистых оснований/ Вестник ПНИПУ Строительство и архитектура 2014 № 4 с.101-110.

Алексеева А.В.

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого

Журнал «Современные научные исследования и инновации» № 04, 2016 г.