Медведев К.Е., Морозов В.В. Исследование НДС в гибкой

.
11, 2005 .
37
УДК624.131.531.1
Медведев К.Е., инженер, Морозов В.В., инженер
Национальная академия природоохранного и курортного строительства
Исследование М
В
М
.в
,о р
Е
К
озв д
.е
НДС в гибкой мембране подпорной стены на моделях
Излагается состояние вопроса в области развития конструкций подпорных стен, актуальность изучения
подпорных стен из синтетических материалов.
подпорные стены, мембрана, геосинтетики, НДС, испытания, модель
1. Проблемы развития конструктивных решений подпорных стен
Подпорные стены являются распространенными инженерными сооружениями. В строительстве конструкции подпорных стен занимают сравнительно большой объем, особенно в холмистой, пересеченной и горной местности с большими уклонами. Они служат для поддержания откосов, выемок, насыпей, естественных склонов, набережных, крепления строительных котлованов
и траншей, образуют причальный фронт морских и речных портов, создают емкости для навалочных материалов на предприятиях, используются для образования платформ и складских рамп, в
качестве противооползневых и берегоукрепительных сооружений, являются важнейшим элементом судоходных шлюзов, каналов и доков.
Конструктивные формы подпорных стен довольно разнообразны и классифицируются по назначению, материалу, статической схеме работы, типам конструкций и.т.д.
В нашей стране большое применение получили монолитные и сборные железобетонные подпорные стены (уголковые и контрфорсные), устойчивость которых обеспечивается за счет вовлечения в работу грунта засыпки, а также массивные гравитационные - из бутобетона, бетона, камня, которые «держат» грунт своей массой. Чтобы обеспечить работу этих подпорных стен, необходима сравнительно большая рабочая высота сечения, что приводит к повышенному расходу материалов, из которых возводятся стенки, - бетона и стали - и требует значительных трудозатрат.
Этот недостаток проявляется в значительной степени при высоких подпорных стенках. Поэтому
проблема снижения стоимости и трудоемкости подпорных стен весьма актуальна.
Быстрое развитие производства химических волокон создает предпосылки для появления
новых видов полимерных синтетических материалов, прежде всего конструкционного назначения. Стремление эффективно использовать в строительстве новые высокопрочные и дешевые
материалы проявилось в создании проектов подпорных стен с несущими элементами в виде гибких полотнищ, пленок, сеток. В местах со сложным рельефом местности определенные преимущества дают удерживающие конструкции из армированного грунта, то есть послойно уплотненного грунта, армированного металлическими, железобетонными или геотекстильными материалами. Таким образом, стали применять мембранные подпорные стены и стены из армированного
грунта.
В настоящее время в мировой практике строительства применяется большое число так называемых геосинтетиков, основную долю которых составляют геотекстили - тканые и нетканые материалы на основе синтетических полимерных волокон. В качестве армирующего материала используют стекловолокно и стеклосетки, при покрытии которых лаками и смолами, повышающими сопротивляемость внешним воздействиям, получаются стеклопластики. Армирование сетчатым стекловолокном улучшает сопротивляемость выдергиванию, поскольку частицы грунта, попадая
в ячейки сетки, создают прочную структуру, что позволяет использовать не только песчаные, но и
глинистые грунты. Кроме этого, геотекстиль из стекловолокна (стеклопластиков) имеет очень малое относительное удлинение и высокую прочность на разрыв, в некоторых случаях превосходящую прочность лучших сортов стали.
Мембранные подпорные стены эффективны особенно при их большой высоте, имеют наименьшую материалоемкость. Преимуществами пространственных конструкций в подпорных стенах являются следующие факторы: мембраны очень надежно работают на действие распределенной нагрузки, как активное давление грунта; грунт, входящий в контакт с тонкостенными оболоч-
38
.
11, 2005 .
ками или мембранами, сообщает им дополнительную жесткость, поэтому отпадает необходимость
обеспечения устойчивости конструкций; пространственные конструкции (мембраны или оболочки) хорошо воспринимают поперечные силы, не требуется увеличения толщины таких конструкций у опор; поскольку такие пространственные конструкции работают в основном на сжатие или
растяжение, в них возможно применение высокопрочных материалов при небольшой толщине;
благодаря пространственным конструкциям возможны наиболее выразительные архитектурные
решения фасадов подпорных стен, и, что особенно важно, в связи с ростом экологических требований к конструкциям озеленение их поверхности посредством предварительной укладки гумусных призм, возведение дополнительных элементов облицовки с отверстиями для последующей
посадки зеленых насаждений или выполнения отверстий в самих мембранах (см. рис. 1, 2).
Однако, несмотря на многие преимущества
массовое их применение сдерживает то, что на
сегодняшний день недостаточно информации о
физических и механических характеристиках материала мембран, мало изучено напряженнодеформированное состояние (НДС) мембран с
учетом деформаций в ходе загружения, и, как
следствие, не разработаны надежные методы
расчета.
В последние годы в Украине и за рубежом
ведутся широкие исследовательские и проектРис.1. Мембранная подпорная стена
ные работы с целью совершенствования конструкций, методов расчета, способов возведения
и эксплуатации подпорных стен. Оптимизация
конструкций подпорных стен характеризуется
следующими тенденциями:
-максимальное вовлечение в работу грунта
засыпки;
- уменьшение активного давления грунта;
- увеличение сопротивления сдвигу по подошве стенки;
- минимизация расхода материалов, возможность выполнения стен большой высоты
из однотипных элементов;
- максимальная сборность элементов.
Рис.2. Озеленение поверхности подпорной
стены
2. Конструктивные решения мембранных подпорных стен
Существует несколько направлений применения мембран в стенах:
1. Применение гибких горизонтально расположенных мембран в качестве лицевых элементов,
воспринимающих и передающих давление грунта на контрфорсы или другие жесткие конструкции.
2. Использование подпорных стен, в которых вертикально расположенные гибкие мембраны,
воспринимающие давление грунта, передают усилия через вертикальные контрфорсы на армирующие грунт горизонтальные анкера, выполненные из металла, тросов и из того же материала, что и сами мембраны – анкерные подпорные стены (см. рис. 3).
3. Возведение подпорных стен с лицевыми элементами в виде малоразмерных сборных плит
или оболочек, выполненных из металла, железобетона, бетона или пластмасс и заанкеренных
в насыпной грунт с помощью гибких полосовых анкеров, сеток или сплошных мембран, - так
называемые конструкции из армированного грунта.
.
11, 2005 .
39
4. Конструкции из армированного грунта, в которых гибкие мембраны являются облицовкой и в
то же время армирующим элементом.
Армирование грунта непременно должно
сопровождаться его послойным уплотнением
при закладке анкерующих элементов.
Все вышеперечисленные конструкции подпорных стен также могут быть биопозитивными, что придает архитектурную выразительность и привлекательность.
На современном этапе строительства актуальность получило применение гибких мембран
из синтетических материалов – стекловолокна,
стеклопластиков, геотекстиля на основе полиэтилена, полиамида, полипропилена.
Мембранные подпорные стены рекомендуется применять при высоте подпора грунта - от
1,2 до 24 м. Ограничение по высоте вызвано
тем, что размеры анкера обычно составляют 0.70.8 высоты стены, и, следовательно, с увеличеРис.3. Анкерная биопозитивная мембрана
нием высоты стены возрастает объем земляных
работ и соответственно увеличивается их стоимость.
Так как лицевая поверхность мембраны под нагрузкой деформируется согласно распределению активного давления грунта по поверхности, т.е. происходит постоянное перераспределение
напряжений, стену достаточно тяжело довести до разрушения. Слабые места стены - узлы крепления мембраны к контрфорсам, если и происходит разрушение, то именно там.
К основным недостаткам мембранных подпорных стен следует отнести возможность механического повреждения лицевой поверхности, а также требование плоскостности лицевых элементов. Эта проблема решается разнообразными способами отделки, такими как: облицовка железобетонными, металлическими или из более легкого материала навесными экранами; также для
придания архитектурной выразительности выполняют озеленение этого экрана.
К недостаткам следует отнести и большой объем земляных работ при устройстве анкеров,
армирующих грунт.
3. Исследование НДС в гибкой мембране подпорной стены на моделях.
Для получения информации о поведении мембранных подпорных стен в процессе загружения, последующей деформации лицевых элементов и изменений, происходящих в армогрунте,
требуется детальное и глубокое их изучение, исследование НДС мембран, определение физических и механических характеристик материала мембран. Для этого проводят испытания на реальных подпорных стенах либо их моделях, а также математическое моделирование конструкции с
помощью программных комплексов, таких как «ЛИРА 9.0».
Для постановки задачи исследования прежде всего необходимо установить его цель. В первую очередь выявляется, имеется ли достаточно надежный способ теоретического расчета данной
конструкции, нуждается ли она в экспериментальной проверке. Бывает так, что методики расчета
вообще не существует.
На основании вышеизложенного можно сделать следующие выводы о целях моделирования:
а) выявление общего характера работы конструкции;
б) проверка правильности принятого метода расчета;
в) экспериментальный расчет взамен теоретического;
Исходные предпосылки во всех остальных случаях моделирования должны содержать:
- математическое описание явления
40
.
11, 2005 .
- граничные условия
- начальные условия
- предельные условия по деформациям, напряжениям, геометрии и т. д.
Для проведения физического эксперимента на модели мембранной подпорной стены требуется выбрать ее масштаб. Получение четкой картины деформативно-прочностного состояния системы с выраженными границами областей сдвигов и уплотнения несвязного грунта засыпки
возможно только при масштабе 1:10 и более крупном. Вопрос оптимального моделирования жестких и гибких подпорных стен был рассмотрен в работе [4]. Задавшись масштабом модели, определяют масштабные коэффициенты, с помощью которых по результатам испытаний осуществляется переход от модели к натуре.
Подпорная стена моделируется на лабораторной установке. Примером такой установки может послужить следующая: прямоугольный металлический каркас, три грани и днище которого –
металлические листы, к четвертой прикрепляют гибкий лицевой элемент из стеклоткани. Внутри
находится несвязный грунт засыпки, на поверхность которого передается статическая нагрузка от
силовой системы. Для определения давления засыпки на подпорную стену применяют проволочные петлевые тензорезисторы, с помощью которых измеряют относительные деформации. Значение приложенной нагрузки также контролируют.
На основании полученных результатов строят графики, диаграммы напряжений, которые дают
представление о действительной работе конструкции.
Математическое моделирование мембранной подпорной стены удобнее провести на компьютерной модели. Выбрать масштаб, приложить ту же нагрузку, что и в физическом эксперименте,
задать модель и получить картину о напряженно-деформированном состоянии лицевой мембраны.
На основании анализа результатов физического эксперимента и компьютерного моделирования делают выводы о характере распределения напряжений.
ВЫВОДЫ
1. Мембранные подпорные стены обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными:
надежная работа мембран под нагрузкой, снижение трудозатрат, невысокая трудоемкость, экономичность, эстетичный внешний вид, выразительные архитектурные решения фасадов подпорных
стен. Поэтому их применение и внедрение в области народного хозяйства актуально.
2. Определение и исследование НДС мембран из геосинтетиков позволит получить четкую картину
о поведении мембранных подпорных стен, и, как следствие этого, изучить их свойства,разработать надежные методы расчета,
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тетиор А.Н. Пространственные конструкции фундаментов. – К.: УМК ВО, 1988.
2. http://www.nestor.minsk.by/sn/1999/06/sn90618.htm
3. Джоунс К.Д. Сооружения из армированного грунта. – М.: Стройиздат, 1989.
4. Ренгач В.Н. О моделировании подпорных стенок. В кн.: Вопросы надежности и прочности оснований и сооружений. Л.: Сб. Трудов ЛИИЖТ, вып. 361, 1973.
5. Почтовик Г.Я., Злочевский А.Б., Яковлев А.И. Методы и средства испытания строительных конструкций. М.: Высшая школа, 1973.