УСИЛЕНИЕ ЛЕСНЫХ ДОРОГ ГЕОСИНТЕТИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ ПО МЕТОДУ «ГРУНТ В ОБОЛОЧКЕ»
Тумашик И.И. , Вырко Н.П. , Лащенко А.П. , Лось А.М.
(Учреждение образования «БГТУ», г. Минск, РБ)
In this article offered way of reinforcement of design forest roads with the help of the different sort rolled synthetic materials. Designed strategy of calculation rolled material and selecting its thickness.
Практика строительства и эксплуатации транспортно-технологических путей в лесных массивах показывает, что особые трудности возникают, когда основанием дороги служат мелкозернистые и пылеватые песчаные, а также суглинистые и глинистые грунты. Для улучшения условий проезжаемости транспортных средств по дорогам, устраиваемым на таких грунтах, необходимо как можно полнее учитывать специфику работы дорожных конструкций, принимая во внимание воздействие нагрузки от колес большегрузных лесовозных автопоездов. Грунтовые покрытия дорожных одежд лесных дорог являются наиболее уязвимыми с точки зрения зависимости от погодно-климатических факторов и воздействия подвижной нагрузки. Несмотря на то, что в последние годы значительно расширилась опорная сеть дорог, обеспечивающих круглогодовую вывозку древесины, существует проблема проезда тяжеловесных лесовозных автопоездов именно по грунтовым дорогам (усам и подъездным путям).
При повышении прочности и усилении временных лесотранспортных путей (срок действия которых составляет 1…5 лет) наиболее экономически целесообразно, на наш взгляд, устраивать колейный тип покрытия. При применении различных способов увеличения несущей способности (укрепление вяжущими материалами, стабилизация, введение скелетных добавок) эффективность использования колейного типа является очевидной: на разрушенных тяжелыми лесовозными автопоездами путях с большими колеями отпадает необходимость проводить засыпку колей и одновременно уменьшается объем работ для устройства корыт под колейное покрытие. Устройство колейных покрытий позволяет снизить объемы земляных работ при усилении на 20…30% на однополосных дорогах и до 40% на двухполосных. На 20…25% снижается расход вяжущих и других материалов, а также сокращаются транспортные расходы на их доставку к месту производства работ [1].
Нами разработан способ повышения прочности лесных транспортно-технологических путей при помощи геосинтетических рулонных материалов, который предполагает использовать существующие колеи лесотранспортных путей (без их засыпки и уплотнения), что значительно снижает объем земляных работ (до 30…40%). Разработанная дорожная конструкция колейного типа с использованием геосинтетики позволяет повысить несущую способность грунтового лесотранспортного пути (рис. 1).
Рисунок 1- Дорожная конструкция с геосинтетикой:
1 – оптимальная смесь или ПГС; 2 – геосинтетическая оболочка;
3 – грунт в оболочке; 4 – грунт земляного полотна.
Дорожная конструкция представляет собой покрытие колейного типа, в которой в качестве колесопровода служит несвязный грунт, заключенный в геосинтетическую оболочку, которая армирует колесопроводы дорожной конструкции, гасит разрушающие напряжения от подвижной нагрузки, а также полностью разделяет грунт земляного полотна и грунт покрытия. Для предотвращения контакта колес подвижного состава с материалом оболочки поверх дорожной конструкции должен устраиваться слой износа покрытия (из подобранных грунтовых смесей или песчано-гравийных материалов).
Для выбора материала оболочки разработана методика расчета на прочность материала и подбора его толщины на основе теории тонких оболочек [2]. При расчете могут быть два случая: в первом прочность и другие характеристики грунта в оболочке и насыпи одинаковы, во втором – различны. Для расчета геосинтетического материала на прочность рассмотрим второй случай, так как в первом материал почти не испытывает напряжений и может разрушаться лишь от продавливания отдельными крупными фракциями грунта.
Расчет на прочность материала оболочки для второго случая заключается в следующем. Полагаем, что соотношение между давлениями внутри pв и вне оболочки pн, а также между модулями упругости грунта заключенного в оболочку Ев и вне ее Ен равны, т.е.
. (1)
Наибольшие распирающие напряжения в оболочке будут возникать в боковых точках А и В (рис. 2).
Рисунок 2- Расчётная схема
Внутреннее давление грунта на материал оболочки в точках А и В может быть определено из уравнения Буссинеска. Оно равно радиальному напряжению sr
, (2)
где р – давление от колеса автомобиля на дорогу, Па; m – коэффициент Пуассона грунта в оболочке; r – радиус пакета рулонного материала с грунтом, м; Z – расстояние от поверхности дороги до рассматриваемой точки, м.
При Z = r
, (3)
или
.
(4)
Тогда
,
(5)
где l – длина пакета рулонного материала с грунтом, м.
Наружное давление определяется из уравнения (1)
.
(6)
Давление передаваемое от колес подвижного состава, деформирующее пакет с грунтом, по модулю равно разности давлений внутри и вне оболочки
.
(7)
Далее расчет производится по уравнению Лапласа
, (8)
где sm, st – соответственно меридиональное и тангенциальное напряжение, Па; rm, rt – радиусы кривизны рулонного пакета в меридиональном и тангенциальном направлениях, м; d – толщина геосинтетической оболочки, м.
Для рулонного пакета с грунтом плоскоцилиндрической формы радиус кривизны в наиболее напряженном месте в тангенциальном направлении rt будет равен r, а в меридиональном rm = ∞ , тогда
или 
. (9)
Откуда
(10)
Ввиду того, что оболочка имеет значительно большую
длину, чем сама толщина пакета, деформацию в меридиональном направлении 
можно считать
равной нулю. Тогда согласно обобщенному закону Гука
, (11)
где E – модуль упругости материала «оболочки», Па.
Из уравнения (5) получим
(12)
где
–
коэффициент Пуассона геосинтетического материала оболочки.
Таким образом, в результате расчета определены главные напряжения в оболочке:
s1 = st; s2 = sm; s3 = 0.
Согласно четвертой теории прочности , условие прочности будет следующим:
(13)
где
–
допустимое напряжение для геосинтетического материала, Па.
Были проведены исследования конструкции дорожной одежды с применением тканых рулонных материалов (полипропиленовых) в лабораторных условиях на экспериментальном стенде БГТУ. Дорожная конструкция опытного участка включала слой покрытия толщиной 20 см из гравийного материала оптимального состава, заключенного в оболочку из синтетического тканого материала, и основания из песчаного материала.
Анализ результатов измерения сжимающих напряжений свидетельствует о хорошей распределяющей способности опытной конструкции. Область распространения напряжений колеблется от 1,4 м и уменьшается с глубиной до 0,7 м. Четко прослеживается роль усиления дорожной конструкции по методу «грунт в оболочке» в снижении напряжений в основании. В опытах с уложенной в колею полипропиленовой обоймой с грунтом напряжения в 0,55 м от поверхности сжимаемого слоя оказались на 50-60% ниже, чем на опытных участках без усиления.
Для механизации процесса формирования оболочки из геосинтетического материала непосредственно на лесотранспортном пути нами разработана установка прицепного типа, позволяющая производить отсыпку грунта дорожного основания в геосинтетическую оболочку. Данная установка может быть использована также при ремонтах лесотранспортных путей с применением привозного грунта. Предварительное натяжение геосинтетического материала обеспечивает более полное использование армирующих свойств оболочки, что позволяет на 15 – 20% повысить несущую способность грунтовых дорожных оснований.
Литература
1. Тумашик И.И. и др. Усиление конструкций лесных транспортно-технологических путей на основе рулонных материалов /Сб. науч. тр. Бел. гос. техн. ун-т./ Сер. II. Лесн. и деревообраб. пром-сть. - Минск, 2003. - Вып. ХI. - С. 65-70.
2. Вольмир А.С. Гибкие пластинки и оболочки. – М.: Гостехиздат, 1956. – 240 с.