ПРИМЕНЕНИЕ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ВЛИЯНИЕ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ВОДОНАСЫЩЕННЫХ ГРУНТОВ

Аннотация. Данная работа разработана с целью исследования влияния армирования на несущую способность и осадку песчаных и глинистых водонасыщенных грунтов в Иркутской области. Армирование – улучшение и (или) повышение несущей способности механических свойств грунта (почвы) или других строительных материалов путем использования механических свойств геотекстильного или геотекстилеподобного материала. Исследования проводились в лабораторных условиях центральной дорожной лаборатории ООО «ТрассаПлюс» с использованием универсального автоматического комплекса «АСИС-6». В статье представлены методика испытаний; физические характеристики водонасыщенных пылеватых песков и текучепластичных глинистых грунтов, результаты лабораторных испытаний по методу компрессионного сжатия и одноплоскостного среза данных грунтов. Для исследований в качестве геосинтетического материала выбрана геосетка двуосная, даны ее физикомеханические характеристики, полученные по результатам испытаний на универсальной испытательной машине МТ136. Проведены испытания по методу компрессионного сжатия одноплоскостного среза с армированием геосеткой. На графике показаны расположения геосетки в грунте при испытаниях. Результаты испытаний представлены в таблицах.

В настоящее время расчет дорожной одежды выполняется с использованием аналитических методов согласно нормативным документам. К важным характеристикам грунтов относятся удельное сцепление с, угол внутреннего трения φ, модуль деформации Е и коэффициент Пуассона v. К слабым водонасыщенным грунтам относят насыщеннные водой сильносжимаемые грунты, которые при обычных скоростях приложения нагрузок на основание теряют свою прочность, вследствие чего уменьшается их сопротивление сдвигу и возрастает сжимаемость. Слабый глинистый грунт – это дисперсная структурированная система с коагуляционным типом структурных связей, способная при их нарушении переходить из твердообразного состояния в жидкообразное. В Иркутской области распространены глинистые, песчаные водонасыщенные грунты, вызывающие трудности при проектировании и возведении автомобильных дорог и аэродромов. На территориях карстоопасных и просадочных грунтах наиболее лучший метод и экономичный - это армирование. В слабый грунт производят армирующие элементы, обладающие сверхпрочностью на растяжение. В дорожном строительстве в качестве армирования широко используются геосинтетические материалы. Создание армированных конструкций существенно сокращает затраты на устройство оснований под автомобильные и железные дороги, откосов, подпорных стен, так как характеристики грунтов, обладающих прочностью на сжатие и сдвиг, но не обладающих прочностью на растяжение, могут быть значительно улучшены путем введения упрочняющих элементов в направлении относительной деформации растяжения. Положение арматуры в грунтовом массиве может быть вертикальным, горизонтальным, наклонным в одном направлении, наклонным в двух и более направлениях, прерывистым и в виде различного ряда ячеистых структур, а также в виде отдельных волокон. Геосетка — геосинтетический плоский полимерный рулонный материал с сетчатой структурой, образованный эластичными рёбрами из высокопрочных пучков нитей, скреплёнными в узлах прошивочной нитью, переплетением, склеиванием, сплавлением или иным способом, с образованием ячеек, размеры которых больше образующих сетку рёбер, обработанных специальными составами для улучшения свойств и повышения их стабильности. Основные функции – фильтрационная и дренажная. Основными видами материалов для производства геосеток являются полиамид, полиэфир, полиэстер, полиэтилен, полипропилен. По способу формирования различают двухосные и одноосные (рис. 1). К двуосным относят плоские сетки с ячейками прямоугольной формы, разработанные для строительства на слабых грунтах. К одноосным относят сетки с длинными, вытянутыми в одном направлении ячейками для создания высокой прочности на растяжение.                                     

а                                    б

Рисунок 1. Виды геосеток: а-одноосные; б-двуосные

В лабораторных условиях могут быть определены прочностные и деформационные характеристики грунтов. Одним из способов определения деформационных характеристик в лабораторных условиях является метод компрессионного сжатия, а прочностных характеристик – метод одноплоскостного среза. Для испытаний были отобраны вблизи пос. Михайловка Черемховского района песчаные пылеватые грунты, насыщенные водой, и текучепластичные глины. Пылеватые грунты имеют размер зерен менее 0,1 мм (глинистые грунты.  Отдельные зерна таких грунтов трудно различимы и по внешнему виду грунт похож на пыль. У таких грунтов отмечена хорошая водопроницаемость. При насыщении водой такие грунты становятся текучими, обладают плывунными свойствами и похожи на вязкую жидкость, что значительно снижает их несущую способность. Глинистые грунты в маловлажном состоянии обладают высоким сопротивлением нагрузке и небольшой сжимаемостью, но при высокой влажности резко понижают свою прочность и дают большие просадки. Деформируемость глинистых грунтов обусловлена главным образом взаимным перемещением твердых частиц грунта, и они способны испытывать длительные незатухающие деформации под постоянной нагрузкой. Данные испытания проводились в центральной дорожной лаборатории ООО «ТрассаПлюс». с использованием универсального автоматического комплекса «АСИС-6» (рис. 2).

Были отобраны образцы и определены их физические характеристики по ГОСТ 5180–2015 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик» (табл. 1, 2). С помощью Балансирного конуса – прибора Васильева была определена граница текучести глинистых грунтов, а граница пластичности – на устройстве для раскатывания связного грунта в жгут ГТ 1.8.2 фирмы ООО «НПП «Геотек» (рис. 3).

Рисунок 2. универсальный автоматический комплекс «АСИС-6»

а – прибор на одноплоскостной срез; б – прибор на компрессионное сжатие

Таблица 1

Физические характеристики песчаного грунта

Таблица 2

Физические характеристики глинистого грунта

Согласно ГОСТ 12248–2010 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости» для испытаний на одноплоскостной срез использовались грунты нарушенного сложения с заданной плотностью. Диаметр образцов составил 70мм, высота 35 мм. Испытания проводились по неконсолидированно-недренированной схеме. Передача нормальной нагрузки происходила в одну ступень. Выдерживалась для предварительного уплотнения в течение 2 мин, скорость среза составила 2 мм/мин, деформация образца – 7,01 мм. Значения нормальной нагрузки были приняты 100, 150 и 200 кПа для песков и 50, 100, 150 кПа – для глин. По результатам исследования рассчитывались удельное сцепление с и угол внутреннего трения φ (табл. 3). Для компрессионных испытаний использовались грунты нарушенного сложения с заданной плотностью. Диаметр образцов составил 70 мм, высота – 20 мм. При испытании пылеватых песков были назначены следующие ступени нагружения: 12, 25, 50, 100, 200 кПа. При испытании глинистых грунтов были назначены следующие ступени нагружения: 12, 25, 50, 100, 200, 300 кПа. За критерий условной стабилизации грунта принималось ее приращение, не превышающее 0,05 % у песчаных грунтов за 4 ч, а у глинистых грунтов – за 12 ч. Деформации образца регистрировались через определенные промежутки времени: сразу после приложения нагрузки, далее через 0,25; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20; 30 мин, далее с интервалом 1 ч в течение рабочего дня до момента достижения условной стабилизации деформации. По результатам испытаний вычисляется модуль деформации Е (см. табл. 3).

Таблица 3

Прочностные и деформационные свойства грунтов

Испытания армированных грунтов проводились по методикам, приведенным ранее. В качестве армирования использовалась двуосная геосетка из полиэстера ОС № 8 (рис. 4), для которой также были определены физико-механические характеристики на универсальной испытательной машине МТ-136 (табл. 4).

Рисунок 4. Геосетка ОС

Таблица 4

Значение физико-механических характеристик геосетки

Армирование образцов геосеткой осуществлялось следующим образом: в испытаниях на одноплоскостной срез слой геосетки был расположен по поверхности среза; в компрессионных испытаниях - внутри образца грунта (рис. 5).

Рисунок 5. Схема расположения при испытаниях:

а – на одноплоскостной срез; б – на компрессионное сжатие: 1 – грунт; 2 – рабочее кольцо; 3 – перфорированный штамп; 4 – прослойка геосетки; 5 – срезная коретк

Результат испытаний неармированных и армированных грунтов на одноплоскостной срез, а также на компрессионное сжатие представлены в табл. 5.

Таблица 5

Значения прочностных и деформированных характеристик неармированных и армированных геосеткой грунтов

По приведенным в табл. 5 результатам исследования можно сделать следующие выводы:

1. Использовав в грунты геосетку, тем самым увеличиваем механические характеристи грунтов.

2. Улучшены показатели модуля деформации и угла внутреннего трения, что позволит нам увеличить более прочное основание и уменьшить деформативность и просадки грунта.

3. Увеличивается угол внутреннего трения и значение модуля деформации у пылеватых песков в среднем на 30 %, у текучепластичных глин угол внутреннего трения и модуль деформации на 5–10 %, удельное сцепление – на 30 %. Тем самым видно, что применение геосетки для укрепления оснований наиболее эффективно для песчаных грунтов, чем для глинистых.

Список литературы:

1. ГОСТ 5180–2015 «Грунты. Методы лабораторного определения физических характеристик»
2. ГОСТ 12248–2010 «Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости»
3. ОДМ 218.5.003-2010 Рекомендации по применению геосинтетических материалов при строительстве и ремонте автомобильных дорог
4. ГОСТ 33068-2014: Материалы геосинтетические для дренажных систем. Общие технические требования.
5. ГОСТ Р 55028-2012 Дороги автомобильные общего пользования. Материалы геосинтетические для дорожного строительства. Классификация, термины и определения.
6. Арефьев М. Ф., Квасова З. М. Механика грунтов: метод. Указания по выполнению лабораторных работ. – Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2010. 32 с.
7. Ухов С.Б. Механика грунтов, основания и фундаменты. М.: высш. школа, 2007.