В настоящем руководстве содержится описание свойств легкого заполнителя Geo Leca®, знание которых необходимо для определения параметров облегченных насыпей. Мы также сформулировали и составили перечень важных определений для понимания материала. Руководство предназначено только для применения Geo Leca® без связующего вещества, более распространенного в геотехнических работах. Характеристика материала, произведенного в Португалии, а также его применение в геотехнических работах, являлась предметом исследований, проводимых в специализированных лабораториях как в Португалии, так и за рубежом, в LNEC - Национальная строительная лаборатория в Лиссабоне и SINTEF в Тронхейме, Норвегия. В руководстве представлены результаты данных исследований, а также более чем пятидесятилетнего практического опыта использования материала в странах Северной Европы, а именно в Швеции и Норвегии. Представленные параметры сопротивляемости и деформации могут использоваться как при традиционном методе количественной оценки и определения параметров, так и в более сложных математических моделях. Надеемся, что данный документ будет полезен всем, кто интересуется стандартными и в том же время инновационными решениями. Приятного чтения и удачных проектов!
ГЛАВА 1 Geo Leca®: определения и основные свойства
Geo Leca® представляет собой легкий гранулированный заполнитель, полученный в результате обработки специальной глины (вспучивающаяся глина) во вращающихся печах при температуре 1150.C и последующего отбора путем просеивания. Во вращающихся печах сырье увеличивается в объеме (расширяется), приобретая форму сферических гранул, обладающих свойствами, которые делают материал подходящим для различных применений в инженерных работах, особенно в области геотехники и возведения путей сообщения.
Поскольку данный материал является «толстым» с точки зрения гранулометрического состава, он обладает высокой дренажной способностью по мере увеличения размера измельченного заполнителя, обозначаемого как «щебень № 2». Коэффициент гидравлической проницаемости меняется в зависимости от уровня плотности (уменьшается по мере его увеличения), но его минимальное значение превышает 10-2 м/с. Проницаемость влияет на пустое пространство, расположенное за пределами частиц, как описано в пункте 1.2.2.
• EN 13055-2: Легкие заполнители. Часть 2. Легкие заполнители для битумных смесей и поверхностной обработки, а также для обработанных и необработанных слоев
• prEN 15732: Легкие заполнители и теплоизоляционные материалы для гражданского строительства (CEA). Керамзитобетонные легкие заполнители (LWA)
Стандарт EN 13055-2 описывает легкие заполнители в целом и применяется к Geo Leca®, поскольку он предназначен для использования под основаниями дорожных покрытий или для верхних строений пути железных дорог в качестве обработанных слоев или нет, со связующими веществами. prEN 15732 имеет более широкую область применения, которая также распространяется на облегченные насыпи, соприкасающиеся со структурными элементами (дорожно-строительные работы и сооружения), но при этом характерен для легких керамзитовых заполнителей. С помощью испытаний, предусмотренных данными стандартами и не обязательно нацеленных на определение параметров для моделирования поведения материалов при применении, определяются характеристики легких заполнителей, которые используются в качестве строительных материалов. Однако некоторые испытания позволяют определить параметры устойчивости (угол сопротивления резанию) и деформации, например, одометрический модуль деформации, который можно использовать для моделирования поведения материала в различных областях применения. Минимальные или максимальные значения параметров, которые определяют свойства для конкретного применения, могут быть указаны в стандартах или спецификациях, относящихся к аналогичному применению.
В Приложении A описано испытание, указанное в EN 13 055-2, целью которого является:
• Максимальное уменьшение объема (уплотнение) в результате вибрации по сравнению с начальным состоянием минимального значения плотности (в свободном состоянии);
• Продолжительная регистрация деформации, вызванной нагрузкой одноосного сжатия, приложенной с постоянной интенсивностью.
Данное испытание проводится на образцах Geo Leca®, упакованных в цилиндрические формы, диаметром и высотой 200 мм. В первой части данного испытания видимое уменьшение объема образца измеряется через 3 минуты воздействия вибрации с определенной амплитудой и частотой. Во второй части испытания нагрузка применяется к образцу с интенсивностью 0,06 ± 0,002 кН/с, пока не будет достигнута 10% деформация по сравнению с высотой образца.
Данное испытание позволяет продемонстрировать важные аспекты поведения Geo Leca®, а именно то, как первоначальное уплотнение влияет на поведение материала при напряжении сжатия. Вариант первого этапа данного испытания заключается в регистрации уменьшения объема за счет изменения продолжительности воздействия вибрации. Результат представлен в виде графика на рисунке 6.
Отложенные последствия, возникающие в результате напряжения на любой материал, оцениваются посредством испытания на текучесть (ползучесть при сжатии). Стандартом PrEN 15 732 установлено испытание (Приложение C), которое предусматривает применение определенных уровней сжатия к образцу легкого заполнителя и регистрацию изменений деформации испытываемого образца в течение суток.
При испытании на устойчивость к воздействию циклического сжатия оценивают критерий усталости, рассчитанный на основании остаточной деформации, полученной после 2 миллионов циклов нагрузки-разрядки, в соответствии с колебаниями квадратной формы, с частотой 4 цикла нагрузки-разрядки в секунду. На графике представлены остаточные деформации после числа циклов, максимально приближенного к 100 тысячам, 300 тысячам, 600 тысячам и 1 500 000, в дополнение к деформации в конце испытания. В Приложении B к prEN 15 732 данная процедура описана подробно.
Для определения основных параметров, необходимых для моделирования механического поведения, были проведены трехосные испытания для образцов Geo Leca®. Статические трехосные испытания позволяют построить эпюру напряжений Geo Leca® в виде пикового угла сопротивления резанию (.) и когезии (c). В статических трехосных испытаниях, проводимых в SINTEF (Норвегия), использовались постоянные ограничивающие напряжения, в то время как осевая нагрузка увеличивалась с постоянной скоростью осевой деформации (0,02%/с), вплоть до повреждения материала - осевая деформация 10%. В проведенных испытаниях использовались ограничивающие напряжения 20, 40 и 80 кПа, достигая значения 42,5. пикового угла сопротивления резанию, примерно до 200 кПа. Так как огибающая поверхность разрыва изогнута, - Рисунок 17 - для более высоких напряжений необходимо значение 37° для угла сопротивления резанию, связанного с когезией 35 кПа.
В дополнение к углу сопротивления резанию, определенному в ходе статических трехосных испытаний, были проведены циклические трехосные испытания, позволяющие определить восстанавливаемый компонент деформации - модуль упругости - и огибающие поверхности областей упругого и упругопластического поведения материала для траекторий состояния напряжения, предусмотренных в EN 13 286-7, как указано в prEN 15 732.
Одним из наиболее важных параметров легкого заполнителя является плотность в условиях применения на объекте, которая вследствие водопоглощения среды будет больше, чем вес того же заполнителя в сухом состоянии.
Изменение водопоглощения Geo Leca® зависит от количества уже поглощенной воды. После 24 часов погружения вода, поглощенная изначально сухим Geo Leca®, эквивалентна 38% его первоначального веса в сыпучем состоянии. Чтобы удвоить количество поглощенной воды, необходимо около 3 месяцев. Полное насыщение, равное 130%, достигается только в условиях, установленных в лаборатории (значение влагосодержания при насыщении - 129% - было получено в LNEC, с применением вакуума в водонепроницаемой камере и введением воды с использованием работающего вакуумного насоса), поскольку в ситуациях постоянного погружения насыщение не достигается даже через несколько месяцев.
Таким образом, плотность, которую следует учитывать для оценки возведения насыпи с использованием Geo Leca®, должна быть точно определена в соответствии с:
i) продолжительностью погружения;
ii) условиями дренажа на границе между облегченной насыпью и встроенными элементами или прилегающими геологическими образованиями.
Для типичных ситуаций, и если при хороших условиях дренажа водопоглощение не достигнет значения, соответствующего 24 часам погружения, значение плотности, которую следует учитывать для предварительного определения размеров, можно рассчитать следующим образом на основании среднего значения плотности в сухом состоянии:
ГЛАВА 3 Поведение материала при возведении автомобильных и железнодорожных насыпей
Относительно легких заполнителей состояние компактности, как правило, выражается в виде уменьшения объема путем уплотнения, причем практика североевропейских стран показывает, что контроль за таким уменьшением объема является существенным показателем качества облегченной насыпи. Если вибрация в нормальных условиях приводит к уменьшению объема на 10% в образце в ходе одного из ранее описанных испытаний, указывается, что он был уплотнен на 10%. Точно так же необходимо уменьшить толщину различных слоев Geo Leca® на объекте примерно на 10%. Хотя в этом случае уменьшение объема происходит не в результате абсолютно одинакового воздействия (лабораторная вибрация), все же существует сходство между лабораторным уплотнением и уплотнением Geo Leca® на объекте.
Движение бульдозеров на материале, даже при значении натяжения под гусеницами всего 50 кПа, приводит к кратковременным и повторяющимся изменениям состояния натяжения между гранулами, заставляя их стремиться друг к другу, тем самым уменьшая объем пустот за пределами гранул. Напряжение 50 кПа достаточно низкое, чтобы предотвратить чрезмерный распад гранул. Помимо уплотнения гусеничными тракторами можно использовать виброплиты весом от 80 до 140 кг. В главе 4 представлен график с рекомендуемым количеством проходов в зависимости от толщины слоя и типа оборудования.
Если мы посмотрим на график испытания на вибрационное уплотнение в цилиндрической форме (рис. 21), то увидим, что 10% - это не максимально возможное уменьшение объема. В испытуемом образце максимальное снижение составляет около 14% в течение 180 секунд вибрации.
Важно отметить, что поведение материала зависит от уровня напряжения, которому он подвергается. Для нагрузок до 100 кПа Geo Leca® демонстрирует очень низкие значения мгновенной деформации, ползучести и потери сопротивления в результате усталости, поэтому важно, чтобы в дорожных насыпях и на железных дорогах напряженность, вызванная движением, была ниже этого значения. Чтобы обеспечить максимальные напряжения сжатия, при которых Geo Leca® будет подвергаться воздействию менее 100 кПа, слои других материалов (обычно измельченный заполнитель с различной гранулометрией, слои с гидравлическими связующими и битумными смесями) с достаточной толщиной, чтобы усилить нагрузки, передаваемые транспортными средствами, на более низкие уровни напряжения. Эти слои имеют эффект увеличения ограничивающего напряжения и, следовательно, уменьшения режущих напряжений, возникающих в результате движения транспортных средств и повышения модуля упругости, то есть уменьшения постоянной составляющей деформаций.
Данные об уменьшении нагрузки под различными слоями, составляющими дорожное покрытие, были получены на экспериментальной трассе, построенной в Норвегии (рисунок 22). Среди прочего, было оценено, как дорожное покрытие и его основание гасят напряжение, вызванное проездом грузовых автомобилей с нагрузкой на ось 12 тонн и давлением в шинах 700 кПа. Тензодатчики, установленные поверх слоя Geo Leca®, покрытого 40 см асфальтового покрытия и соответствующего основания (рисунок 23), при прохождении грузового автомобиля зарегистрировали увеличение напряжения на 100 кПа (рисунок 24). За исключением области вдоль обочины, где зарегистрировано увеличение напряжения на 160 кПа, что связано с невозможностью формирования симметричного напряжения, например, сформированного в самых центральных областях бокового покрытия откосов с помощью насыпи с легкими заполнителями из более плотного материала.Отсюда также следует вывод о важности строительства бокового покрытия откосов в форме насыпи с легкими заполнителями из более плотного материала.
ГЛАВА 4 Рекомендации по проекту и применению
Поскольку насыпь, возведенная с использованием Geo Leca®, представляет собой гранулированную среду без мелких частиц, важно обеспечить разделительный геотекстиль при контакте с другими материалами, независимо от того, являются ли они более мелкими, чтобы не допустить миграции мелких частиц внутрь облегченной насыпи, или более толстыми, чтобы сохранить гранулы Geo Leca® на месте. Таким образом, разделительный геотекстиль необязателен только при контакте с бетонными элементами, каменной кладкой или цельным камнем. При определении необходимых характеристик геотекстиля при проектировании должны учитываться функции геотексиля (фильтрация, осушение, армирование). Следует также учитывать использование геосинтетических материалов, совместимых со значениями рН 9-10.
Рисунок 1 – Схематическое изображение производства заполнителей Leca®
Рисунок 2 – Гранула Leca®: в разрезе и схематическое изображение гранулы изнутри
Рисунок 3 – Кривая среднего размера гранулы Geo Leca® и отклонениеРисунок 4 – Внешние пустоты на 1 м. Geo Leca® в свободном состоянии 11
Рисунок 5 – Внутренние пустоты на 1 м. Geo Leca®, доступные и недоступные для воды
Рисунок 6 – Сокращение объема за счет изменения продолжительности вибрации
Рисунок 7 – Кривая напряжение-деформация Geo Leca® при уплотнении до 10% при воздействии вибрации 15
Рисунок 8 – Модуль деформации Geo Leca®, полученный в результате испытаний на сопротивление сжатию (сжатие до 10% вибрацией)
Рисунок 9 – Кривые напряжения-деформации Geo Leca® в свободном состоянии, при уплотнении до 10% вибрацией
Рисунок 10 – Отклонение одометрического модуля Geo Leca® (M) после 10% уменьшения объема под воздействием вибрации в зависимости от уровня приложенного напряжения
Рисунок 11 – Внешний вид образца Geo Leca® после испытания на прочность при сдавливании 19
Рисунок 12 – Проведение испытания на ползучесть при сжатии в лаборатории SINTEF, Норвегия
Рисунок 13 – Определение понятия сопротивление во времени
Рисунок 14 – Кривые ползучести заполнителей Leca® для геотехнических целей, производимых «Сен-Гобен» (Saint-Gobain) в Европе
Рисунок 15 – Сравнение значений параметра rs (число сопротивления ползучести) заполнителей Leca® для геотехнических целей, производимых «Сен-Гобен» (Saint-Gobain) в Европе
Рисунок 16 – Форма колебания, используемая в испытании на циклическое сжатие
Рисунок 17 – Огибающая поверхность разрыва Geo Leca® после трехосных испытаний
Рисунок 18 – График модуля устойчивости материала
Рисунок 19 – Схема нагрузки при трехосном испытании
Рисунок 20 – Упругие и упругопластические огибающие поверхности, полученные в ходе циклических трехосных испытаний
Рисунок 21 – График испытания на вибропрочность в цилиндрической форме
Рисунок 22 – Экспериментальная трасса Сандмуэн (Норвегия)
Рисунок 23 – Продольный и поперечный разрез экспериментальной трассы Сандмуэн
Рисунок 24 – Напряжения регистрируются в тензодатчиках под действием одного колеса с нагрузкой 61,5 кН/690 кПа
Рисунок 25 – Схема и график испытаний на циклическую нагрузку
Рисунок 26 – Минимальная толщина дорожного покрытия на насыпи с Geo Leca®
Рисунок 27 – Стандарт сечения для облегченных насыпей на железнодорожных путях, принятый в Швеции
Рисунок 28 – Насыпь с Geo Leca®, ограниченная сбоку габионами (A16, Кашкайш)
Рисунок 29-a – Решение для ремонта дорожных покрытий. После земляных работ на одной из полос, возведение облегченной насыпи, поддерживаемой с боков геотекстилем
Рисунок 29-b – Решение для ремонта дорожных покрытий: Открыв для движения полосу, выполненную с облегченной насыпью, можно выполнять земляные работы на другой полосе
Рисунок 29-с – Решение для ремонта дорожных покрытий: Возведение облегченной насыпи на оставшейся полосе
Рисунок 29-d – Решение для ремонта дорожных покрытий в разрезе
Рисунок 30 – Проходы и толщина для уплотнения насыпей с Geo Leca®
Рисунок 31-a – Насыпь с Geo Leca® при восстановлении моста (A25, Авейро) - уплотнение с помощью виброплиты
Рисунок 31-b – Аналогично - уплотнение гусеничным трактором
Рисунок 32 – Эффект динамического и статического воздействия, возникающий при прохождении катком, и комбинированный эффект обоих действий
Рисунок 33 – Минимальная рекомендуемая толщина для уплотнения гранулированного слоя непосредственно над насыпью с Geo Leca® и минимальное количество проходов катком
Рисунок 34 - Насыпь с Geo Leca®, усиленная георешетками на берегах водохранилища
Рисунок 35 - Откосное крыло подпорной стенки над аллювиальными отложениями с Geo Leca® и армированием георешетками
Рисунок 36 - Использование Geo Leca® для восстановления габионной стены, поддерживающей парковку в посольстве США (Лиссабон)
Рисунок 37 – Geo Leca® во внутренней поверхности подпорной стены в промышленном районе Авинтеш (Гайа)
Рисунок 38 – Выгрузка Geo Leca® из цистерны на заднюю стенку габиона (IC9, Томар)
Рисунок 30 – Перекачивание Geo Leca® на заднюю стенку (Станция Альфарелос, Суре)
Рисунок 40-а и 40-b - Выгрузка Geo Leca® из цистерны в районе Шиаду (Лиссабон)