Роль механической стабилизации в усилении дорожных конструкций

27.04.2023 Просмотров: 139

Проблема слабых грунтов с низкими прочностными и деформационными характеристиками с их недостаточной несущей способностью известна давно и в нашей стране встречается нередко. Она имеет различные способы решения. Методы полной замены слабого основания и (или) устройства слоев дорожных одежд большой мощности, несомненно, эффективны, но слишком трудоемки и дороги. О не менее эффективном, при этом не таком энергозатратном и значительно более экономном способе решения данной проблемы нашей редакции рассказал заместитель руководителя отдела инженерно-технической поддержки ООО «Сотерра Инжиниринг» (до 2023 г. – Tensar) Глеб СОЛОВЬЕВ.

Дорожное строительство в РФ осложняется такими проблемами, как наличие сурового климата, избыточное увлажнение грунтов, залегание на значительных площадях грунтов с низкими прочностными и деформационными характеристиками и другими неблагоприятными факторами. Перечисленные проблемы являются причиной недостаточной несущей способности, недостаточной устойчивости и повышенной деформативности основания.

Заместитель руководителя отдела инженерно-технической поддержки ООО «Сотерра Инжиниринг» Глеб СОЛОВЬЕВ

При этом ежегодно возрастает интенсивность движения и осевые нагрузки от транспортных средств. Согласно действующему постановлению Правительства №658 от 30 мая 2017 г. межремонтные сроки в РФ для дорог I-IV категорий составляют 24 года, т.е. дороги необходимо делать такими, чтобы они могли выстоять в течение этого времени.

В настоящие время вышеперечисленные проблемы могут быть решены применением стабилизирующих жестких георешеток в инертных слоях. Получаемый композитный материал обладает повышенными прочностными и деформационными характеристиками, что позволяет решить ряд практических задач по повышению прочности, устойчивости и долговечности конструкций.

Ошибочно думать, что георешетки в дорожном строительстве работают по принципу снегоступов, просто более равномерно распределяя нагрузку на большую площадь. На самом деле их применение эффективно благодаря армированию, механической стабилизации и заклинке.

За счет заклинки частиц инертного материала в ячейках георешетки ограничивается их горизонтальное перемещение. Тем самым создается материал, способный сопротивляться сдвигам. Это и есть эффект механической стабилизации. Его простым и наглядным примером является пирамида из бильярдных шаров.

Шары сами между собой не имеют никакого сцепления, как и щебень в конструкции, где шары — это частицы инертного материала, а бильярдный треугольник является георешеткой. Без фиксации треугольником шары разъезжаются. А заклиненные треугольником они могут сложиться в пирамиду и нести вертикальную нагрузку. На практике такие пирамидки возникают в каждой из ячеек георешеток, ограничивая горизонтальное перемещение частиц. Происходит мультипликация данного эффекта, последующая заклинка передается на вышележащие слои. Сочетание георешетки и заполнителя образует композитный слой с повышенными характеристиками или механически стабилизированный слой. Данный слой эквивалентен слою без георешетки с толщиной, увеличенной, в среднем, на 40%.

В дорожном строительстве эффект механической стабилизации наглядно может быть показан следующим образом.

Крупнозернистый материал дорожных одежд испытывает значительное сдвигающее усилие. Не имея сцепления, частицы материала испытывают горизонтальное перемещение, отчего при многократном повторении нагрузки возникает колея и иные дефекты. Механически стабилизационный материал заклинивает зерна крупнозернистого материала в ячейках георешетки. Отчего происходит равномерное распределение усилий в разных направлениях. Величина активных сдвигающих напряжений в слабосвязнном слое снижается на 25-80%. Накопление остаточных деформаций при многократном приложении нагрузки снижается на 30-40%.

Как же на практике, в расчетах, использовать улучшенные свойства механически стабилизированного грунта? В конце 90-х годов прошлого века военным инженерам из СПБ ВИТУ (Санкт-Петербургского военного инженерно-технического университета) было поручено изучить применение геосинтетических материалов для строительства дорог в условиях быстрого развертывания.

В течение 10 лет велась комплексная научная работа по этой теме. В ее рамках проводились различные теоретические и практические исследования. В частности, было определено, что в условиях нестабилизированной дорожной конструкции для образования чаши прогиба достаточно 120 циклических нагружений. Для стабилизированной - уже 1100 нагружений. То есть второй вариант в 10 раз крепче. В ходе испытаний определено, что получаемый в ходе механической стабилизации композитный материал обладает углом внутреннего трения крупнообломочного грунта (и даже составляет в отдельных случаях примерно до 58 градусов) и сцеплением, характерным для тугопластичных связных грунтов. При этом модуль упругости механически стабилизированных конструкций увеличивается до 1,8 раз, модуль деформации – до 4 раз. Главным результатом этих научных исследований явилась статистическая обработка результатов и получение коэффициентов регрессии. Таким образом был определен численный эффект применения георешеток.

Методика в итоге легла в основу разработанного совместно с РОСДОРНИИ нормативного документа по расчету дорожных одежд с использованием жестких георешеток. Таким образом, механически стабилизировать можно инертные слои в составе как капитальных и облегченных дорожных одежд, так и переходных, и временных дорог. Механически стабилизировать можно и основания под монолитные покрытия различного назначения – жесткие дорожные одежды, покрытия контейнерных терминалов, промышленные полы, жесткие аэродромные покрытия и т.д.

В 2016 г. в Казахстане был проведен эксперимент, доказывающий эффективность использования технологии Сотерра Инжиниринг (ранее Tensar). На объекте, где проводился эксперимент, были повышенные осевые нагрузки, в то же время присутствовали неблагоприятные грунтовые условия - весной и осенью проезд был крайне затруднителен, т.е. имелись следующие проблемы: неоднородность основания, низкие деформационные характеристики грунтов, залегающих в основании.

В ходе эксперимента сравнивали две конструкции. Одна - с механической стабилизацией, вторая – без нее. В эксперименте принимали участие карьерные самосвалы грузоподьемностью 100 тонн. Они совершили 80 проходов по 1 следу. Производились штамповые испытания подстилающего грунта и штамповые испытания модуля деформации полученных конструкций. После прохода самосвалов были сделаны замеры колейности трехметровой рейкой «кондор». Максимальная колея у стабилизированного слоя составила 49 мм, а у нестабилизированного – 249 мм, то есть примерно в пять раз больше.

Также необходимо рассказать про метод так называемого «плоского матраса», который служит для усиления оснований различных транспортных сооружений, устраиваемых на слабых грунтах. Матрас может быть однослойным в основании дорожных одежд (выемки, нулевые места и насыпи до 1,5 м). Если насыпь выше 1,5 м, применяется многослойный матрас в 2 и более слоя.

Однослойный плоский матрас — это один слой георешетки плюс расчетная толщина щебня. Он может применяться для прохода построечной техники по слабому основанию. Получается искусственное основание с повышенной устойчивостью к сдвигу и модулем упругости.

Бывает, на стройплощадке имеется слабое основание, и спецтехнике невозможно работать - она банально вязнет, а то и тонет. Использование в основании механически стабилизированного слоя позволяет достичь экономии бюджета до 50% по причине отказа от устройства свайного поля и замены грунта. Также значительно сокращаются объемы земляных работ, используемых инертных материалов и сроков производства работ и уменьшаются выбросы СО2 в атмосферу (до 35% за счет сокращения необходимости в транспортировке и уплотнения конструктивных слоев).

Многослойные матрасы применяются для повышения характеристик слабых грунтов в основании и повышения устойчивости. При монтаже эти матрасы укрепляются сначала легкими катками, потом тяжелыми. Слабое основание под матрасом сжимается, отчего повышаются его характеристики.

Эффект механической стабилизации выражается в продлении срока службы дорожной конструкции, повышении эксплуатационной надежности, а также в возможности экономии на уменьшении конструктивного слоя дорожной одежды без потери ее качества.