Эффект армирования георешеткой

Армирование грунтовых оснований с применением геосинтетических материалов становится всё более востребованным в дорожной отрасли. Когда основание дорожной одежды усиливают объёмной георешёткой, формирующей сотовую структуру с многоугольными ячейками, образуется принципиально новый композитный материал с конструктивной анизотропией. Его свойства можно целенаправленно регулировать, варьируя характеристики как самого грунта, так и георешётки.

Каким образом геометрические параметры армирующей решётки влияют на упругие константы композита «грунт – георешётка» при фиксированном расходе армирующего сырья? Расчётные данные указывают на то, что уменьшение габаритов типовой ячейки ведёт к значительному (многократному) росту эффекта армирования.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

Методы расчета дорожных одежд и армированных оснований разработаны в основном эмпирическим путем. Общим недостатком существующих методов является привлечение традиционных методик расчета конструкций со сплошными, однородными, изотропными слоями, для расчета армированных конструкций, являющихся по существу конструктивно-анизотропными.

При армировании грунтов объемными георешетками в виде сотовых структур возникает проблема оценки влияния параметров структуры армирования на физико-механические свойства получившегося в результате армирования композитного слоя «грунт – георешетка».

Строго говоря, ни грунты, ни синтетические материалы, из которых изготавливается георешетка, не обладают свойствами идеального упругого материала, а их диаграммы деформирования нелинейны. Поэтому излагаемый подход к построению расчетной модели армированного грунта в упругой постановке рассматривается в качестве первого приближения, которое в дальнейшем будет совершенствоваться.

Каково влияние геометрических параметров армирующей структуры на упругие характеристики композита «грунт – георешетка» при заданном объеме армирующего материала? Для этого сформируем такую структуру армирования, которая позволяет моделировать реально существующие конструкции и обладает определенной гибкостью и универсальностью. Характерные ячейки такой структуры представлены на рисунке 1.

Рис.1. Характерные ячейки армирующей структуры: а) гексагональная; б) ромбическая; в) прямоугольная.

Наиболее универсальной является гексагональная ячейка (рис.1,а), которая может быть трансформирована как в ромбическую (рис.1,б), так и в прямоугольную (рис.1,в). Поскольку данная ячейка имеет две оси симметрии, совпадающие с осями X и Y, удобно рассматривать одну из ее четвертей, выделив в ней три прямолинейных элемента армирующей структуры и обозначив длину среднего элемента l(рис.2,а). Длины двух оставшихся, равных между собой элементов, обозначим как l₁ и выразим их через длину среднего элемента l₁ = m l/2, где m – заданная константа.

Рис.2. Фрагмент характерной ячейки армированного грунта.

Общую длину трех армирующих элементов определим суммированием L = l + 2l₁ = l(1+m). Для оценки влияния параметров структуры армирования на физико-механические свойства композитного слоя «грунт – георешетка» выделим в качестве ведущих следующие параметры: b/a; m; L. И введем новый параметр y (рис.2,а), который будет определять из выражения y = b – 2l₁. Принимая ведущие параметры в качестве исходных данных, выразим через них остальные геометрические параметры армирующей структуры...

МОДЕЛЬ ДЕФОРМИРОВАНИЯ. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ

Рассмотрим структурный подход к определению физико-механических свойств армированного грунта как композитного материала. Полагая, что все элементы ячейки находятся в упругом состоянии, выразим закон упругого деформирования эквивалентной композитной анизотропной среды в следующем виде σ = А ε. Здесь σ, ε – векторы-столбцы напряжений и деформаций; А – матрица упругих постоянных композитной среды...

Схемы армирующих структур, для которых проводились вычисления, показаны на рисунках. Результаты вычислений представлены на графиках, на которых изображены зависимости от параметра m эффекта армирования Kij для шести компонент матрицы А, расположенных на ее главной диагонали.

Рис. 3. Изменение эффекта от армирования грунта в зависимости от параметра m объемной георешетки с относительными размерами ячейки b/a=1: а) при L=0,1 м; б) при L=0,2 м; в) при L=0.3 м.

В результате вычислений оказалось, что толщина упругого армированного слоя h, совпадающая с толщиной георешетки, не оказывает никакого влияния на упругие константы – компоненты матрицы А. При вычислениях, проводившихся при различных значениях параметра h(от 0,1 до 0,5 м) числовые значения постоянных в матрице А оставались без изменения.

Полученные теоретические результаты сопоставимы с результатами экспериментальных исследований, касающихся эффекта армирования, выполненных профессором А. Н. Шуваевым.

ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, существует практическая возможность управления механическими характеристиками среды за счёт формирования заданной ортотропии материала. Впоследствии описанная модель упругого армированного слоя была использована при создании методик расчёта многослойных дорожных плит, усиленных геосинтетикой.