 |
Армирование в дорожном строительстве
|
|
|
|
Проблема улучшения механических характеристик грунтов является наиболее значимой в дорожном строительстве при возведении насыпей, дамб, подпорных стенок и пр. Для решения данного вопроса человечество с ранних времен начало осваивать и применять различные технологии армирования грунта.
Еще в древности упоминается, что при сооружении зданий люди армировали глинистое основание тростником и соломой [3].
Наиболее ранним и ярким примером сооружения с использованием армогрунта является Великая китайская стена. Отдельные участки стены были армированы ветвями, а грунт основания представлял собой смесь глины и гравия.
В Древнем Риме возводились армированные тростником земляные дамбы [3].
В современной истории свое распространение армированный грунт получил в 19 веке. В 1822г. английский полковник Песли доказал эффективность применения армированного грунта. Он внедрял в грунт хворост, доски, холст с целью создания прочных дамб и для укрепления откосов.
В 1960-е годы сложилось современное представление о технологии армирования грунта. Автором данной идеи является А. Видаль. Идея состояла в создании композитного материала, который создавался из грунта и плоских армирующих полос. Полосы укладывались горизонтально в грунт, и тем самым в полученном армогрунте возникало трение, которое было вызвано гравитационными силами. Данное изобретение Видаль запатентовал и присвоил ему название «армированный грунт» [22].
В настоящее время множество организаций занимается исследованием технологий армирования грунта в транспортном строительстве. Изучением армогрунтов занимаются Национальная школа мостов и дорог во Франции (фр. École nationale des ponts et chaussées), Департамент транспорта в Великобритании и в США, Центральный институт дорог Индии (англ. Central Road Research Institute of India) и др.
|
|
|
Исследованием применения армированных грунтов в транспортном строительстве занимаются как в России, так и за рубежом. Из зарубежных ученых, которые внесли большое вклад в развитие исследований армогрунтов, можно выделить Дж. Бишопа (J.A. Bishop), Дж. Чанга (J.C. Chang), Н. Бассета (N. Basset), Дж. Бинкета (J. Binquet), И. Юрана (I. Juran), Х. Видаля (H.Vidal), К. Ли (K.L. Lee), К. Ямамото (K.Yamamoto), Т. Яманучи (T. Yamanouchi), Ф. Шлёссера (F.Schlosser).
Известны работы следующих иностранных авторов: Д. Адам (D. Adam), Д. Алексиев (D. Alexiev), С. Чандра (S. Chandra), Дж. Жиру (J.P. Giroud), Дж. Отани (J. Otani), Дж. Соболевский (J. Sobolewski), Р. Корнер (R.M. Koerner), К. Сони (K.M. Soni) и др.
Среди отечественных ученых большой научный вклад в исследования по проблемам армирования грунта внесли В.Ф. Барвашов, А.А. Бартоломей, Н.В. Брантман, В.И. Клевеко, В.Г. Офрихтер, А.Б. Пономарев, А.П. Фомин, В.А. Сидоров [4].
В начале освоения технологий армирования грунта преимущественно использовалась металлическая арматура в виде сеток или полос [27], однако такая арматура зачастую подвергалась коррозии, особенно в пылевато-глинистых грунтах. Возникала необходимость проводить антикоррозийные мероприятия, что значительно удорожало технологию. Поэтому в настоящее время металлическую арматуру сменили геосинтетические материалы, которые изготавливаются на основе ткани, каучука, резины, пластмасс, битума, бентонитовых смесей [26].
Как правило, грунт имеет низкую прочность на разрыв и сдвиг. Усиление грунта геосинтетическими материалами позволяет сбалансировать недостаток этих свойств в грунте, тем самым приводит к улучшению технических характеристик грунта.
В основном геосинтетики изготавливают преимущественно из следующих полимеров: полипропилен, полиэфир, полиамид, полиэстер, полиэтилен, полиолефины и др.
|
|
|
Положение арматуры в грунте может быть вертикальным, горизонтальным, наклонным в одном и более направлениях, прерывистым.
В настоящее время существует относительно новая технология, которая предполагает армирование грунта фиброй. В качестве армирующего материала могут быть использованы как натуральные волокна (джут, сизаль), так и синтетические.
Данная технология предполагает создание композитного материала путем внедрения коротких дискретных полипропиленовых волокон с дальнейшим равномерным распределением по всему объему грунтового массива [25].
Большой вклад в развитие исследований на тему фиброармирования грунта внесли Дж. Зорберг (J.G. Zornberg), С. Хеджази (S.M. Hejazi), А. Дьямбра (A. Diambra). Однако, несмотря на фундаментальные исследования в этой области, материал не нашел широкого применения в строительной отрасти.
В отечественной строительной практике геосинтетические материалы в основном применяются в транспортном строительстве для сооружения временных дорог, для обеспечения общей и местной устойчивости высоких насыпей, для усиления дорожных одежд, для укрепительных работ в качестве покрытия откосов, при устройстве обратной засыпки подпорных стен [23]. Применение синтетических материалов во всех вышеперечисленный случаях является эффективным способом улучшения свойств грунта. Данный опыт применения геосинтетиков дает основание полагать, что фиброармирование положительно влияет на свойства грунта и улучшает его механические характеристики, тем самым делает технологию фиброармирования грунта целесообразной и эффективной в строительной и дорожной отраслях.
В настоящее время фиброармирование грунта недостаточно изучено. Однако в силу его перспективности и экономичности, необходимо проведение дополнительных исследований по этому вопросу.
1.3 Применение фибры в дорожном строительстве Использование природных и / или синтетических волокон в геотехнической инженерии является осуществимым в шести областях, включая слои дорожной одежды (дорожное строительство), подпорные стенки, сейсмостойкое строительство, железнодорожные насыпи, защиту склонов и устройство оснований фундаментов [7].Одним из новых перспективных методов усиления грунта в условиях дорожного строительства является фибровое армирование. Оно представляет собой создание композитного материала путем равномерного распределения армирующих волокон в массиве грунта [25]. Фибра представляет собой натуральное, минеральное или синтетическое волокно. Фибра классифицируется по материалу, по длине и диаметру волокна, по сопротивлению на разрыв, по плотности и прочим критериям. Материалами для фибры могут служить базальт, полипропилен и другие. Фибра имеет большое сопротивление разрыву и совместно с грунтом хорошо работает на сдвиг, что приводит к улучшению прочностных характеристик композита [25]. Армирование оказывает влияние на следующие параметры: прочность на сдвиг, сжимаемость, плотность, водопроницаемость и др. [8].
Основной целью укрепления грунтов в дорожном строительстве является повышение устойчивости и несущей способности земляных сооружений, а также уменьшение боковых деформаций.
|
|
|
Фибровое армирование мало изучено на данный момент, и поэтому оно привлекает к себе внимание геотехников. Особенно перспективно армирование с использованием коротких волокон.
Фиброармированный грунт определяется как массив, содержащий случайно распределенные дискретные элементы – волокна, которые обеспечивают улучшение механических характеристик грунта. Усиленный дискретными волокнами грунт ведет себя как композитный материал, в котором волокна, имея относительно высокую прочность, работают на разрыв. Волокна также гасят сдвиговые напряжения путем собственного растяжения. Это придает грунту дополнительную прочность. Использование случайно распределенных дискретных эластичных волокон имитирует поведение корней растений и способствует устойчивости грунта, усиливая также приповерхностные слои.
Учеными было проведено много испытаний, результаты которых подтверждают высокий потенциал использования фиброволокон для армирования грунтового массива.
Всеобъемлющий обзор литературы показывает, что существует два варианта ориентации дискретных волокон в грунте. С одной стороны, возможно случайное прямое включение волокон в грунтовый массив. С другой стороны, предполагается ориентирование армирующих волокон. В обоих случаях предполагается необходимо оптимизировать свойства волокон: диаметр, длину, площадь поверхности текстуры и др [26].
|
|
|
В процессе применения возникают сложности при смешивании волокон с грунтом. Главной проблемой является запутывание волокон и неравномерное их распределение. Если адекватные методы смешивания фибры и грунта не будут разработаны, то подобное армирование не будет возможным. В основном существует два метода, которые могут быть рассмотрены при исследовании процедуры подготовки фиброгрунта. Фибра может смешиваться с грунтом как вручную, так и механизированным способом с помощью специальных устройств. Механические устройства можно разделить на три категории: роторные рыхлители, миксеры для бетона, барабанные смесители.
Изначально предполагалось, что волокна ориентированы в массиве грунта случайным образом. Однако было установлено, что общий порядок подготовки армированных образцов приводит к суб-горизонтальной ориентации волокон. При равномерном распределении грунт можно считать гомогенным композитным материалом [25].
Армирование грунта полипропиленовыми волокнами положительно сказывается на поведение грунта при сейсмических нагрузках. Эта технология активно применяется в Японии и реализуется двумя методами. Первый метод подразумевает внедрение непрерывных армирующих волокон в массив несвязного грунта. В этом случае волокна смешиваются с мелким песком при определенной влажности путем струйного перемешивания. Второй метод заключается в использовании коротких дискретных волокон.
При использовании полипропиленовых волокон в армировании грунта в условиях дорожного строительства возникают следующие проблемы:
· Отсутствие научного стандарта. Несмотря на количество исследований, проведенных в области использования волокна и стружки для улучшения свойств грунта, до сих пор не существует стандартов и норм, и, таким образом, метод опирается только на реальные полевые проекты и эксперименты.
· Сложность в смешивании фибры с грунтом.
· Адгезия волокон с грунтом. Адгезия возникает на границе фибры и грунта вследствие воздействия трех факторов:
(а) сдвиг (сопротивление грунта за счет формы поверхности и шероховатости волокна);
(б) сжимающие силы трения на поверхности волокна вследствие усадки почвы;
(с) когезионные свойства почвы.
Однако по сравнению с систематически армированными грунтами, случайное распределение дискретных волокон демонстрирует некоторые преимущества. Волокнистые материалы конкурентоспособны по сравнению с другими материалами. В отличие от извести, цемента и других химических инъекций, дорожное строительство с использованием дискретных полипропиленовых волокон является экологически более безопасным и не зависит от климатических условий. Материалы, которые могут быть использованы для создания волокнистой арматуры являются широко доступными.
|
|
|
Включение фибры в грунт предотвращает образование трещин из-за растяжения, увеличивает водопроницаемость и прочность, снижая теплопроводность и вес строительных материалов, уменьшает «ломкость» грунта [6].
Изучением фиброармирования грунтов в транспортном строительстве занимались преимущественно зарубежные ученые.
Falorca и др. исследовали влияние внедрения волокон на сопротивление эрозии насыпи из пылеватого песка. Авторами была сконструирована насыпь длиной 24,5 м, шириной 3 м и высотой 0,3 метра, которая была разделена по длине на 7 участков в зависимости от типа армирования. В качестве армирующих элементов были приняты полипропиленовые волокна длиной 75 мм, процент которых варьировался и составлял 0,25%, 0,5%, 0,75% и 0,125%. Наблюдение за поведением насыпи в естественных природных условиях производилось в течение двух лет. Было обнаружено, что содержание волокон полипропилена в количестве 0,1% существенно увеличивает сопротивление грунта эрозии, вызванной интенсивными кратковременными осадками. Сопротивление эрозии зависит от адгезии волокон и грунта, которая зависит от качества смеси, и увеличивается с увеличением длины и процента содержания волокон. Внедрение дискретных волокон в тело насыпи позволяет улучшить способность грунта сопротивляться эрозии. [24].
Senol и др. предложили использовать местные слабые грунты, усиленные фибровым армированием, для устройства дорожных насыпей. Они исследовали влияние трех типов полимерных волокон (гомополипропилена, полипропилена и сополимера) для армирования глинистого грунта разной пластичности. Содержание армирующих волокон варьировалось от 0,25% до 1,5%. Авторами были проведены испытания по методам стандартного уплотнения, одноосного сжатия и на продавливание конусом (тест CBR). Авторы заключили, что наилучшие значения прочности для глины с высокой пластичностью получены при армировании 0,25% гомополипропилена, в то время как для глинистого грунта с низкой степенью пластичности подобные результаты зафиксированы в образцах, армированных 0,75% полипропилена [28].
Однако короткие волокна полипропилена в составе массива грунта по-прежнему являются относительно новой технологией в инженерно-геологических проектах и требуют интенсивного развития и внедрения.
|
|
|
