Влияние георешеток на повышение несущей способности дорожных конструкций
04.09.2023Более 20 лет на территории России и стран СНГ успешно используется технология усиления несущего основания дорожных одежд георешетками. За это время появилось огромное разнообразие материалов, декларирующих функцию армирования каменного материала в соответствии с классификацией ГОСТ Р 55028. В международных же стандартах несколько лет назад появилось четкое разделение армирования и стабилизации геосинтетическими материалами. Поскольку именно понимание механизма работы элемента конструкции ведет к определению параметров, влияющих на эффективность, далее необходимо более детально рассмотреть взаимодействие каменных частиц основания дорожной одежды и георешетки.
Уплотненный щебень – прекрасный материал, который имеет жесткую структуру и способен сопротивляться прикладываемым нагрузкам. В этом ему помогают силы трения на контакте частиц и реакция нижележащего основания. Однако в течение срока службы щебенки истираются, ломаются, разуплотняются, теряя способность удерживать структуру. Тогда дальнейшее приложение колесной нагрузки начинает формировать остаточные деформации всех слоев дорожной одежды и грунта основания. Включение же георешетки в данную конструкцию изначально ограничивает перемещение щебня, добавляя ему значительное сопротивление сдвигу. В результате слой каменного материала сохраняет свою структуру, модуль упругости и деформации, а также целостность частиц и дренирующую способность на протяжении всего срока службы.
Согласно СП 34.13330.2021, СТ РК 2792 и ISO 10318 армирование - это использование прочности геоматериала для повышения механических характеристик грунта или иной засыпки, в то время как стабилизация - это улучшение механического поведения несвязного каменного материала путем включения геосинтетических материалов, ограничивающих перемещения частиц заполнителя. Проще говоря, можно пытаться удержать щебенки, прикладывая силу, а можно механически ограничить саму их способность двигаться.
Армирование – функция востребованная в армогрунтовых подпорных стенах, в основаниях насыпей на слабых грунтах, в асфальтобетоне. Но в щебеночных слоях дорожных одежд эффективно работают лишь стабилизирующие материалы, поскольку они не требуют натяжения или развития значительных деформаций.
В ходе испытаний на колесном стенде Транспортной исследовательской лаборатории Великобритании была наглядно продемонстрирована разница в работе армирующих и стабилизирующих материалов. На глинистый грунт основания укладывали 8 типов георешетки, перекрывая щебеночно-песчаной смесью толщиной 30см, также были контрольные секции без усиления. Далее периодически замерялась колея, накапливающаяся после определенного количества проходов колеса с нагрузкой 4 тонны. В конце испытаний ЩПС удалялась и снимался профиль отраженной колеи в грунте.
Перед началом и после окончания нагружения (на секциях, где это представлялось возможным) был измерен модуль деформации.
Начальный модуль совершенно не зависел от прочности, жесткости или типа георешетки. Остаточное же значение было значительно выше на участках с жесткими стабилизирующими материалами по сравнению с ткаными материалами. Соответственно лучше были и показатели сохранения ровности. Форма колеи на поверхности ЩПС и грунта также продемонстрировали принципиальную разницу в механизме работы георешеток. Жесткие георешетки сохранили плотность и структуру каменного материала, в то время как тканые георешетки сформировали натянутую мембрану, позволившую им наконец включиться в работу.
К подобным выводам пришли и российские ученые после испытаний на участке ЦКАД в 2017-2019 годах. Однако используемые ими методы обследования не смогли однозначно определить эффективность геосинтетических материалов в основаниях дорожных одежд. Испытания статическим штампом способны в ряде случаев продемонстрировать повышение модуля упругости и деформации при использовании геосинтетических материалов. Но главный эффект, связанный с замедлением темпов накопления остаточных деформаций от проходов колес, раскрывают в полной мере лишь циклические штамповые испытания.
На испытательном полигоне в штате Айова профессор Дэвид Вайт провел сравнительные испытания конструкции основания дорожной одежды с георешеткой и без нее.
Графики замера прогиба от штампа показывают, что даже на первом нагружении разница видна – упругий прогиб с георешеткой меньше на 23%. Далее конструкция доуплотняется на протяжении 1000 циклов, и итоговый модуль упругости уже практически сравнялся. Однако накопленные деформации отличаются практически в три раза. Таким образом, незначительное начальное повышение модуля не может обосновать принципиальное изменение механизма работы слоя. Однако при выполнении расчетов конструкций дорожных одежд мы вынуждены использовать условное «повышение модуля упругости» (или коэффициента материала слоя для AASHTO) для учета влияния геосинетического материала.
По сей день важнейшим вопросом остается поиск главной характеристики георешетки, определяющей ее эффективность. В ГОСТ Р 56338 на первое место выводится прочность, которую сопровождает относительное удлинение при растяжении, и нагрузки при 2, 5 и 10% деформации, позволяющие определить соответствующие жесткости. Профессор Хорхе Зорнберг в Университете штата Техас испытал порядка 15 типов геосинтетических материалов для усиления основания дорожных одежд. Для этого он использовал малый колесный стенд, на котором определял увеличение срока службы дорожной одежды при включении в ее основание георешеток. Увеличение срока службы описывалось как коэффициент, равный отношению количества прохода колеса до достижения определенной колеи при наличии георешетки к количеству проходов на контрольной секции (TBR).
Далее проверялась корреляция между параметрами георешеток и их эффективность через оценку множественного коэффициента детерминации R2 для каждого показателя. Ни прочность, ни жесткость, ни размер ячейки и сопротивление выдергиванию не показало сколько-нибудь значимой связи с замедлением деформации конструкции.
Лишь комплексный показатель, жесткость композита щебень+георешетка Ksgc, продемонстрировал высокую сходимость.
Данная жесткость определяется в модернизированной установке на выдергивание георешетки, в которой к образцу, размещенному в толще каменного материала, прикладывается усилие с минимальной скоростью. Отношение нагрузки к смещению георешетки дает искомую жесткость композита.
Сегодня данная характеристика, наряду с геометрическими параметрами и жесткостью георешетки используется для спецификации геосинтетических материалов в проектах.
Дальнейшие исследования посвящены движению частиц в массиве щебеночного основания под действием тысяч проходов колеса. Для этого в слое каменного материала закладываются десятки искусственных щебенок, к которым присоединены тросики слежения. Это дает возможность отслеживать деформации и усилия, возникающие в несущем основании. Исследование с различными георешетками в течение следующего года продемонстрирует разницу во взаимодействии с щебнем.
В странах СНГ отсутствуют полномасштабные колесные стенды, а установки циклического нагружения применяются преимущественно в железнодорожных исследованиях. Это затрудняет отечественные исследования вопроса механической стабилизации слоев конструкций из каменных материалов. Однако практика доказала, что технология эффективна на дорогах всех категорий, и ГК «Автодор» выступает с инициативой обязательного введения георешетки в основание при отсутствии укрепленных вяжущим слоев. Это позволит повысить несущую способность дорожной одежды, уменьшить упругие и значительно замедлить пластические деформации. При этом качество, скорость строительства и экономическая эффективность проектов возрастут.
Статья была опубликована в журнале "Дороги СНГ" в сентябре 2023 г.
Согласно СП 34.13330.2021, СТ РК 2792 и ISO 10318 армирование - это использование прочности геоматериала для повышения механических характеристик грунта или иной засыпки, в то время как стабилизация - это улучшение механического поведения несвязного каменного материала путем включения геосинтетических материалов, ограничивающих перемещения частиц заполнителя. Проще говоря, можно пытаться удержать щебенки, прикладывая силу, а можно механически ограничить саму их способность двигаться.
Армирование – функция востребованная в армогрунтовых подпорных стенах, в основаниях насыпей на слабых грунтах, в асфальтобетоне. Но в щебеночных слоях дорожных одежд эффективно работают лишь стабилизирующие материалы, поскольку они не требуют натяжения или развития значительных деформаций.
В ходе испытаний на колесном стенде Транспортной исследовательской лаборатории Великобритании была наглядно продемонстрирована разница в работе армирующих и стабилизирующих материалов. На глинистый грунт основания укладывали 8 типов георешетки, перекрывая щебеночно-песчаной смесью толщиной 30см, также были контрольные секции без усиления. Далее периодически замерялась колея, накапливающаяся после определенного количества проходов колеса с нагрузкой 4 тонны. В конце испытаний ЩПС удалялась и снимался профиль отраженной колеи в грунте.
Перед началом и после окончания нагружения (на секциях, где это представлялось возможным) был измерен модуль деформации.
Начальный модуль совершенно не зависел от прочности, жесткости или типа георешетки. Остаточное же значение было значительно выше на участках с жесткими стабилизирующими материалами по сравнению с ткаными материалами. Соответственно лучше были и показатели сохранения ровности. Форма колеи на поверхности ЩПС и грунта также продемонстрировали принципиальную разницу в механизме работы георешеток. Жесткие георешетки сохранили плотность и структуру каменного материала, в то время как тканые георешетки сформировали натянутую мембрану, позволившую им наконец включиться в работу.
К подобным выводам пришли и российские ученые после испытаний на участке ЦКАД в 2017-2019 годах. Однако используемые ими методы обследования не смогли однозначно определить эффективность геосинтетических материалов в основаниях дорожных одежд. Испытания статическим штампом способны в ряде случаев продемонстрировать повышение модуля упругости и деформации при использовании геосинтетических материалов. Но главный эффект, связанный с замедлением темпов накопления остаточных деформаций от проходов колес, раскрывают в полной мере лишь циклические штамповые испытания.
На испытательном полигоне в штате Айова профессор Дэвид Вайт провел сравнительные испытания конструкции основания дорожной одежды с георешеткой и без нее.
Графики замера прогиба от штампа показывают, что даже на первом нагружении разница видна – упругий прогиб с георешеткой меньше на 23%. Далее конструкция доуплотняется на протяжении 1000 циклов, и итоговый модуль упругости уже практически сравнялся. Однако накопленные деформации отличаются практически в три раза. Таким образом, незначительное начальное повышение модуля не может обосновать принципиальное изменение механизма работы слоя. Однако при выполнении расчетов конструкций дорожных одежд мы вынуждены использовать условное «повышение модуля упругости» (или коэффициента материала слоя для AASHTO) для учета влияния геосинетического материала.
По сей день важнейшим вопросом остается поиск главной характеристики георешетки, определяющей ее эффективность. В ГОСТ Р 56338 на первое место выводится прочность, которую сопровождает относительное удлинение при растяжении, и нагрузки при 2, 5 и 10% деформации, позволяющие определить соответствующие жесткости. Профессор Хорхе Зорнберг в Университете штата Техас испытал порядка 15 типов геосинтетических материалов для усиления основания дорожных одежд. Для этого он использовал малый колесный стенд, на котором определял увеличение срока службы дорожной одежды при включении в ее основание георешеток. Увеличение срока службы описывалось как коэффициент, равный отношению количества прохода колеса до достижения определенной колеи при наличии георешетки к количеству проходов на контрольной секции (TBR).
Далее проверялась корреляция между параметрами георешеток и их эффективность через оценку множественного коэффициента детерминации R2 для каждого показателя. Ни прочность, ни жесткость, ни размер ячейки и сопротивление выдергиванию не показало сколько-нибудь значимой связи с замедлением деформации конструкции.
Лишь комплексный показатель, жесткость композита щебень+георешетка Ksgc, продемонстрировал высокую сходимость.
Данная жесткость определяется в модернизированной установке на выдергивание георешетки, в которой к образцу, размещенному в толще каменного материала, прикладывается усилие с минимальной скоростью. Отношение нагрузки к смещению георешетки дает искомую жесткость композита.
Сегодня данная характеристика, наряду с геометрическими параметрами и жесткостью георешетки используется для спецификации геосинтетических материалов в проектах.
Дальнейшие исследования посвящены движению частиц в массиве щебеночного основания под действием тысяч проходов колеса. Для этого в слое каменного материала закладываются десятки искусственных щебенок, к которым присоединены тросики слежения. Это дает возможность отслеживать деформации и усилия, возникающие в несущем основании. Исследование с различными георешетками в течение следующего года продемонстрирует разницу во взаимодействии с щебнем.
В странах СНГ отсутствуют полномасштабные колесные стенды, а установки циклического нагружения применяются преимущественно в железнодорожных исследованиях. Это затрудняет отечественные исследования вопроса механической стабилизации слоев конструкций из каменных материалов. Однако практика доказала, что технология эффективна на дорогах всех категорий, и ГК «Автодор» выступает с инициативой обязательного введения георешетки в основание при отсутствии укрепленных вяжущим слоев. Это позволит повысить несущую способность дорожной одежды, уменьшить упругие и значительно замедлить пластические деформации. При этом качество, скорость строительства и экономическая эффективность проектов возрастут.
Статья была опубликована в журнале "Дороги СНГ" в сентябре 2023 г.
Остались вопросы? Свяжитесь с нами.
Оставьте свои контакты и мы свяжемся с вами.