Эффект армирования георешёткой

Армирование грунтов геосинтетическими материалами все шире внедряется в практику дорожного строительства. Основание дорожной одежды, армированной объёмной георешёткой в виде сотовой структуры с характерной ячейкой многоугольного очертания, представляет собой новый композитный конструктивно-анизотропный материал, обладающий управляемой анизотропией, которая зависит как от свойств грунта, так и от свойств георешётки.

Каково влияние геометрических параметров армирующей структуры на упругие характеристики композита «грунт — георешётка» при заданном объёме армирующего материала? Теоретически установлено, что при уменьшении размеров характерной ячейки георешётки эффект армирования возрастает многократно.

ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ

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

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

Строго говоря, ни грунты, ни синтетические материалы, из которых изготавливается георешётка, не обладают свойствами идеального упругого материала, а их диаграммы деформирования нелинейны. Поэтому излагаемый подход к построению расчётной 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 – георешётка» при заданном объёме армирующего материала? Для этого сформируем такую структуру армирования, которая позволяет моделировать реально существующие конструкции и обладает определённой 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 её 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 – георешётка» 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 её главной диагонали.

Рис. 3. Изменение эффекта от армирования грунта в зависимости от параметра m объёмной георешётки 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 георешётки, 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

Итак, существует реальная возможность управления свойствами среды путём создания регулируемой ортотропии материалов. Дальнейшее развитие описанная модель армированного упругого слоя нашла при разработке теории расчёта многослойных дорожных плит, армированных геосинтетическими материалами.