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.
1 - Добыча глины
2 - Гомогенизация
3 - Расширение во вращающейся печи (1 150 .C)
4 - Подача топлива
5 - Фильтрация газов
6 - Охлаждение
7 - Просеивание и отправка (навалом)
Рисунок 1 – Схематическое изображение производства заполнителей Leca®
Конечным продуктом Geo Leca® является заполнитель в виде гранул размером 10/20 (мм) кажущейся плотностью (насыпной плотностью) менее 300 кг/м., и параметрами механической прочности и деформации, которые делают материал пригодным для указанных областей применения. Невысокая насыпная плотность Geo Leca® обусловлена пористой структурой гранул и пустым пространством, которое они между собой образуют. Благодаря этим пустым пространствам, насыпи, возведенные с использованием Geo Leca®, обладают идеальными дренажными свойствами. Циркуляция воды во внутренних пустотах затруднена за счет маленьких пузырьков и каналов, которые их соединяют, таким образом, что заполнение водой в применяемом материале становится невозможным.
Рисунок 2 – Гранула Leca®: в разрезе и схематическое изображение гранулы изнутри.
Вершиной десятилетий опыта использования заполнителей Leca® в инженерных работах по всей Европе на современном уровне развития практических и теоретических знаний о свойствах материала, применяемого в облегченных насыпях, стал растущий спрос на решения Geo Leca®, удобные для различных применений как с технической, так и с экономической точки зрения. Основные характеристики Geo Leca® 1.2.1. Размеры Geo Leca® - это легкий заполнитель в виде гранул размером 10/20 мм, то есть большинство гранул имеют размер от 10 до 20 мм со средним диаметром D50 приблизительно 13 мм. 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.
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.
Рисунок 3 – Кривая среднего размера гранулы Geo Leca® и отклонение (характерные значения накопленного процентного содержания массы материала, проходящего через соответствующее сито) Из кривой гранулометрического состава на рисунке 3 можно убрать диаметры, соответствующие 60% и 10% предыдущих частиц, с D60 = 14 мм и D10 = 10 мм, и получить коэффициент однородности Cu = D60 / D10 = 1,4. Равномерное распределение гранулометрического состава является показателем осушающих свойств материала.
Таблица 1 – Пустоты в Geo Leca®
В гранулированных средах соотношение количественного определения пустот и объема материала может быть оценено с использованием двух показателей: -
- Индекс пустот е - отношение объема пустот за пределами частиц к объему, занимаемому твердой фазой;
- Пористость n - отношение объема внешних пустот к общему объему, занимаемому тремя фазами. Индексы e и n связаны между собой выражениями: 1 и 2
Примем за ne внешнюю пористость Geo Leca®. В свободном состоянии ne равна около 0,33, с соответствующим индексом пустот ee = 0,5. На рисунке 4 показано пространство, занимаемое этими пустотами, по сравнению с общим объемом. Именно такой объем внешних пустот уменьшается под воздействием уплотнения. Возможный объем внутренних гранул (по сравнению с 1 м. в общем объеме) представлен на рисунке 5.
Рисунок 4 – Внешние пустоты на 1 м. Geo Leca® в свободном состоянии Именно такой объем внешних пустот уменьшается под воздействием уплотнения. Возможный объем внутренних гранул (по сравнению с 1 м. в общем объеме) представлен на рисунке 5.
Рисунок 5 – Внутренние пустоты на 1 м. Geo Leca®, доступные и недоступные для воды. Таким образом, на 1 м. Geo Leca® в среднем выражены объемы пустот, указанные в таблице 2:
Учитывая порядок увеличения объема пустот, очевидно, что легкость заполнителя обусловлена именно этим. Влияние воды на плотность, которое необходимо учитывать определении параметров, описывается в конце главы 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.
Рисунок 6 – Сокращение объема за счет изменения продолжительности воздействия вибрации
Принимая во внимание, что уменьшение объема различных слоев Geo Leca® при воздействии виброплит и/или движения гусеничного трактора составляет около 10%, важно получить значение напряжения в зависимости от деформации Geo Leca® (вторая часть испытания) для уплотнения на 10% для различных состояний облегченной насыпи. На рисунке 7 показано типичное поведение материала в случае уплотнения на 10%.
Рисунок 7 – Кривая напряжение-деформация Geo Leca® при уплотнении до 10% при воздействии вибрации
Хотя между внутренней частью формы и образцом присутствует трение, данное испытание позволяет оценить величину деформации, вызванной воздействием данного напряжения. Например, для рабочего напряжения 100 кПа соответствующая мгновенная деформация составляет порядка 0,5%. Данные испытания позволяют определить модуль деформации Ec, соответствующий производной графика напряжения-деформации.
Рисунок 8 – Модуль деформации Geo Leca®, полученный в результате испытаний на сопротивление сжатию (сжатие до 10% вибрацией)
Важно отметить, что основным фактором, влияющим на кривую напряжение-деформация, является насыпная плотность в сухом (неплотном) материале в свободном состоянии. Кривые, представленные на рисунке 9, показывают зависимость поведения Geo Leca® от плотности (насыпной плотности) после уплотнения. Кривая a относится к материалу без уплотнения и представляет меньшенную кажущуюся плотность, а кривая b отображает поведение материала после уплотнения (в лаборатории с применением вибрации), выполненного в течение 3 минут, показывая повышенную удельную плотность.
Рисунок 9 – Кривые напряжения-деформации Geo Leca® в свободном состоянии (кривая a) и с уплотнением до 10% вибрацией (кривая b)
На рисунке 9 показана необходимость обеспечения мер безопасности, гарантирующих, что насыпь, возведенная с использованием Geo Leca®, будет надлежащим образом уплотнена, так как от этого зависит его поведение с точки зрения напряженность-деформация. В связи с этим необходимо:
(i) обеспечить заводской контроль плотности производимого материала, чтобы гарантировать легкость заполнителя;
(ii) обеспечить меры, применяемые на месте для получения желаемого уплотнения, с целью сделать применяемый материал как можно более деформируемым.
Испытание для определения модуля деформации, представленное в предыдущем пункте, позволяет получить значения, соответствующие различным состояниям напряжения. Однако данный модуль E отличается от одометрического модуля деформации (M), в котором нагрузка применяется постепенно с использованием оборудовании со смягчением бокового трения. Различия между этими двумя типами деформации модуля относительно незначительны.
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
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.
Рисунок 12 – Проведение испытания на ползучесть при сжатии в лаборатории SINTEF, Норвегия
Сопротивление ползучести Geo Leca® можно количественно определить посредством оценки сопротивления во времени (Янбу, 1969), которое является обратной производной функции времени для определенных уровней напряжения: R = dt/d.. Следует отметить, что для большинства почв и сыпучих материалов, подвергнутых сжимающему напряжению от одной точки tp или параметра R, такое напряжение изменяется линейно от исходной точки tr, или R = rsx (t - tr), при этом коэффициент пропорциональности rs называется числом сопротивления во времени или числом ползучести.
Рисунок 13 – Определение понятия «сопротивление во времени
Таким образом, параметр rs, называемый числом ползучести, может быть определен для разных уровней напряжения сжатия и позволяет рассчитать деформацию для продолжительных периодов времени. Чем выше значение rs, тем меньше деформация материала при постоянном сжатии. Продолжение в конце периода t в секундах рассчитывается на основании обобщенного уравнения (рисунок 13) для tr = 0 и tp = 30', и представлено в формуле 3.
Формула 3
Эта формула позволяет количественно определить деформацию ползучести Geo Leca®. Недавнее сравнительное исследование, охватывающее заполнители Leca®, произведенные на различных заводах группы Saint-Gobain в Европе, показало, что для напряжения сжатия, равного 100 кПа, значение параметра rs для Geo Leca®, произведенного в Португалии (8 000) было выше, чем на других действующих заводах, как показано на рисунках 15 и 16. То есть для данного уровня напряжения деформации числа ползучести являются самыми низкими. На рисунке 14 показано, что наклон кривой, соответствующей португальскому Geo Leca® (Авелар), настолько мал, что на последнем отрезке он представляет собой почти горизонтальную линию. Рисунок 15 показывает обратную сторону наклона, то есть параметр rs, для последнего участка кривых на рисунке 14. Расчет значения деформации ползучести Geo Leca® для периода 100 лет, исходя из формулы 3 и rs = 8 000, указывает, что оно меньше 2,5 ‰, и поэтому на практике его можно не учитывать.
Рисунок 14 – Кривые ползучести заполнителей Leca® для геотехнических целей, производимых «Сен-Гобен» (Saint-Gobain) в Европе
Рисунок 15 – Сравнение значений параметра rs (число ползучести) заполнителей Leca® для геотехнических целей, производимых «Сен-Гобен» (Saint-Gobain) в Европе
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.
Рисунок 16 – Форма колебания, используемая в испытании на циклическое сжатие
В испытаниях, выполненных на образцах Geo Leca® в SP – SverigesTekniska Forkninginstitut (Швеция), применялись циклические напряжения до 120 кПа. Оценка деформации после первых 100 циклов нагрузки-разрядки показывает, что в худшем случае она изменяется на 0,2% в начале испытания (1 000 циклов) и до 0,5% в конце испытания (2 000 000 циклов). Следует отметить, что результаты, полученные Geo Leca® в этих испытаниях, позволяют использовать его при возведении насыпей, а также при железнодорожных и дорожных работах, при этом остаточная деформация будет значительно ниже значения, принятого скандинавскими странами, где такое значение применяется на протяжении нескольких десятилетий.
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.
Рисунок 17 – Огибающая поверхность разрыва Geo Leca® после трехосных испытаний
Углы сопротивления резанию находятся под эффективным напряжением, поскольку нейтральные напряжения не генерируются. Когезия является параметром моделирования поведения, но не физическим свойством материала.
В данных испытаниях было принято, что отказ соответствует значению осевой деформации 10%. Полученные параметры действительны для аналогичных траекторий напряжения. Как и для любого материала, обладающего коэффициентом трения, угол сопротивления резанию изменяется в зависимости от степени уплотнения заполнителя. В качестве установленного значения для большего ограничения и без учета повышенных деформаций, угол 37. может быть принят за угол сопротивления резанию Geo Leca®.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.
Рисунок 18 – График модуля устойчивости материала
Модуль упругости материала является параметром упругой составляющей деформаций, вызванной динамическим напряжением. Для определенной нагрузки разница между максимальным расширением и постоянным расширением называется упругим расширением. Соотношение между отклоняющим напряжением и упругим расширением является модулем упругости для соответствующего среднего нормального напряжения. Данный параметр можно использовать для определения размеров дорожного и железнодорожного покрытия на основе механико-эмпирических или аналитических методов. В Европе циклические трехосные испытания обычно проводятся в соответствии со стандартом EN 13286-7 (Смеси несвязанные и гидравлически связанные. Часть 7. Метод испытания несвязанных смесей на трехосное сжатие при циклическом нагружении), который предусматривает применение пяти последовательных циклических нагрузок. Каждая последовательная нагрузка соответствует напряжению защитной оболочки, и к каждой применяется шесть этапов нагрузки. На каждом этапе применяются 10 000 циклов нагрузки-разгрузки с частотой 10 циклов/секунду, в cоответствии с синусоидальной кривой. Последовательность прерывается, если достигается осевая деформация 0,5%. В таблице 3 показаны последовательности и этапы, использованные в проведенных испытаниях.
Таблица 3 – Последовательности и этапы нагрузок в циклическом трехосном испытании
Этапы из таблицы 3 также могут быть представлены как на рисунке 13.
Рисунок 19 – Схема нагрузки при трехосном испытании
В данном испытании в конце каждой ступени циклической нагрузки регистрируется значение напряжения отклонения, которое дает единичное расширение, причем среднее арифметическое значений, полученных в каждой последовательности, равно значению исходного модуля упругости Er для соответствующего ограничивающего напряжения. На основании различных значений Er определяется наиболее подходящая для них кривая, что удобно сделать с помощью следующего уравнения:
Циклическое трехосное испытание позволяет получить огибающие поверхности упругого поведения (ɛ<2,5•10 в -8 степени) и упругопластического поведения (ɛ<10 в -7 степени). Рисунок 20 показывает предложенные параметры огибающих поверхностей.
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:
Если заполнитель часто или постоянно находится ниже фреатической зоны, следует использовать другие значения для расчета увеличения веса за счет водопоглощения. Для определения плотности в таких ситуациях рекомендуется метод, изложенный в техническом руководстве шведской дорожной службы Lattklinker i vagkonstruktioner (Легкие заполнители в дорожном строительстве). Однако для предварительного определения параметров при частом подъеме уровня грунтовых вод можно принять среднее значение плотности 5 кН/м.
Таблица 4 – Средний объемный вес для предварительного измерения
Другим возможным подходом является отдельный расчет сухой объемной плотности Geo Leca® и поглощенной воды. В этом случае для плотности может быть использовано характерное значение 335 кН/м3 (вероятность 95% ниже данного значения) и для плотности воды внутри гранул 38% (что соответствует 24 часам погружения) этого значения или среднего значения, или другого процентного значения, если материал будет погружен в течение более длительных периодов времени.Следует отметить, что капиллярное увеличение в результате водопоглощения является небольшим. Для Geo Leca®, частично погруженного в воду, если через несколько месяцев влагосодержание в погруженной части составляет около 80%, полоса капиллярного увеличения, вдоль которой влажность падает до значений, соответствующих влажности воздуха, имеет толщину менее 30 см. Таким образом, с точки зрения увеличения объемной массы наличие капиллярной полосы не имеет никакого значения, учитывая, что уровень воды на 20 см выше эффективного уровня, чтобы учесть его влияние в расчетах.
Хотя значения в таблице 4 были рассчитаны на основании среднего значения плотности в сухом состоянии, они могут рассматриваться как характерные значения, поскольку изменения в объемном весе в сухом состоянии и с учетом водопоглощения происходят в противоположных направлениях. Другими словами, партии с более высокой плотностью имеют меньшие объемы пустот, поэтому водопоглощение также уменьшается. Воздействия, влияющие на объемный вес облегченной насыпи (импульсы на задней стороне несущих конструкций, вертикальные напряжения над туннелями), оцениваются как неблагоприятные. Хотя собственный вес материала приводит к постоянному воздействию, тот факт, что используется подход, учитывающий для определения воздействия собственный вес Geo Leca® в дополнение к весу воды, поглощаемой гранулами, и факт изменчивости количества поглощенной воды приводит к тому, что при измерениях рекомендуется использовать парциальные коэффициенты безопасности 1,5 или 1,3, в соответствии с вариантами B или C Еврокода 7 соответственно.
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.
Рисунок 21 – График испытания на вибропрочность в цилиндрической форме
Однако при испытании образцов для обоих состояний компактности (то есть один с уменьшением объема на 10% при сжатии, а другой с максимальным уменьшением), соотношение напряжение-деформация (модуль деформации) в образцах, подвергающихся воздействию вибрации в течение 180 секунд, должно быть всего на 30% выше, чем в менее уплотненных образцах. Другими словами, эффективность процесса уплотнения значительно снижается после 10% уплотнения.При испытании сжатых образцов, подвергающихся воздействию вибрации в течение 180 секунд (уплотнение 14%), модуль деформации на 30% выше, чем у образцов, подвергающихся воздействию вибрации в течение 30 секунд (уплотнение 10%). Однако данное наблюдение заслуживает некоторого размышления, и на его основе его не следует делать вывод о том, что возможность получения полевых уплотнений равна примерно 14%. Значение 10% для уменьшения толщины слоев Geo Leca® является целью, которой можно легко достичь в результате умеренного количества проходов бульдозеров или использования виброплит (см. Рисунок 30), в зависимости от толщины слоя. Однако. чтобы добиться уменьшения толщины на 14% можно предположить, что потребуется в 6 раз большее количество проходов, учитывая время вибрации в лаборатории 30 и 180 секунд. Но процессы уплотнения, используемые на лабораторном столе (только вибрация) и в полевых условиях с использованием бульдозеров (периодическое сжатие), демонстрируют значительные различия с точки зрения эффективности, поэтому гипотетическое уплотнение на 14% потребует гораздо большего количества проходов, которые могут вызвать чрезмерное измельчение заполнителя, особенно на поверхности, и уменьшение толщины слоя станет важным изменением, возникающим в результате гранулометрического изменения материала.
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.
Рисунок 22 – Экспериментальная трасса Сандмуэн (Норвегия)
Рисунок 23 – Продольный и поперечный разрез экспериментальной трассы Сандмуэн
Рисунок 24 – Напряжения регистрируются в тензодатчиках под воздействием одного колеса с нагрузкой 61,5 кН/690 кПа
В другом испытании, также проведенном в Норвегии, был подготовлен полномасштабный образец дорожного покрытия на слое Geo Leca®, и поверхность дорожного покрытия была подвергнута 5 миллионам циклов нагрузки-разгрузки с напряжениями, постепенно увеличенными до 700 кПа. На рисунке 25 представлена схема испытаний и график деформаций, зафиксированными в легком заполнителе и на покрытии. Несмотря на то, что это крайне неблагоприятная ситуация для дорожного покрытия - обратите внимание, что это нагрузки, прикладываемые к одной и той же точке, чего не происходит на практике, - модель показала хорошие результаты с умеренными деформациями в легком заполнителе, даже после возникновения дефектов покрытия.
Рисунок 25 – Схема и график испытаний на циклическую нагрузку
В результате можно сделать вывод, что дорожного покрытия, включая соответствующее основание/промежуточное основание, толщиной 40 см достаточно для обеспечения надлежащего снижения напряжения, вызванного движением транспортных средств, и это значение является минимальной толщиной, рекомендуемой для постоянного применения.
Рисунок 26 – Минимальная толщина дорожного покрытия на насыпи с Geo Leca®
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 27 – Стандарт сечения для облегченных насыпей на железнодорожных путях, принятый в Швеции
Решение, представленное на рисунке 27, предусматривает возведение призм насыпи нормальной плотности, трапециевидной формы, которые направлены на ограничение легкого заполнителя в боковом направлении и, таким образом, обеспечивают необходимое уплотнение. Несмотря на то, что наличие этих призм необязательно, их применение рекомендуется, поскольку ограничение Geo Leca® обеспечивает лучшее уплотнение в критической зоне на периферии насыпей. Однако следует соблюдать осторожность при обращении с геотекстилем, который должен полностью покрывать легкий заполнитель, чтобы отделить его от материалов с другими гранулометрическими характеристиками. Геотекстиль предназначен для разделения, не позволяющего мелким частицам насыпи нормальной плотности занимать пустое пространство между частицами Geo Leca®. Для того чтобы противостоять перфорации, которая может возникнуть из-за того, что геотекстиль обеспечивает сопротивление возможному проникновению частиц с острыми краями в пространство между частицами легкого заполнителя, на вершине насыпи рекомендуется использовать геотекстиль повышенной прочности. Шведские спецификации для железнодорожного применения рекомендуют нетканый полипропиленовый геотекстиль со значениями массы на единицу площади (граммаж) 300 г/м2. Рекомендуется использовать этот тип геотекстиля на вершине облегченной насыпи, отдельно от основания дорожного покрытия или от вспомогательного балласта, а также на дне, если в основании выемки имеются частицы с острыми краями. Габион также может обеспечить боковое удержание - см. пример на рисунке 28.
Рисунок 28 – Насыпь с Geo Leca®, ограниченная сбоку габионами (A16, Кашкайш)
Там, где необходимо возводить смежные призмы облегченных насыпей на разных этапах, ограничение может быть достигнуто за счет геотекстиля с меньшим удлинением, как показано на рисунках 29-a - 29-d, на которых представлено возможное решение для дополнения на дороге, где движение прекращено в одном направлении. Это решение подходит для ремонта дорожного покрытия в случаях, когда чрезвычайные ситуации возникают из-за глубоких деформаций, возникающих в результате уплотнения образований под покрытием, и в этом случае облегченная насыпь позволит минимизировать возникновение будущих усадок и последующее образование рытвин на поверхности. Следует отметить, что в этом типе работ геотекстиль является временным элементом армирования, поэтому могут быть использованы коэффициенты плавности и разложения, соответствующие работам меньшей продолжительности.
Рисунок 29-a – Решение для ремонта дорожных покрытий: после земляных работ на одной из полос, возведение облегченной насыпи, поддерживаемой по бокам геотекстилем.
Рисунок 29-b – Решение для ремонта дорожных покрытий: открыв для движения полосу, возведенную с использованием облегченной насыпи, можно выполнять земляные работы на другой полосе.
Рисунок 29-C – 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®
Для уплотнения локализованных областей, таких как тыльная стенка или периферия других элементов конструкции, воздуховодов или люков, рекомендуется использовать виброплиты весом от 80 до 140 кг. На рисунках 31-a и 31-b приведен пример работы, где уплотнение проводилось с помощью гусеничного трактора и виброплиты.
Рисунок 31-a – Насыпь с Geo Leca® при восстановлении моста (A25, Авейро) - уплотнение с помощью виброплиты Рисунок 31-b – аналогично - уплотнение гусеничным трактором
Можно подтвердить, что энергия, затрачиваемая на уплотнение Geo Leca®, меньше, чем энергия, затрачиваемая на уплотнение измельченного грунта или заполнителей. Уменьшенная плотность частиц легкого заполнителя позволяет, прилагая умеренные усилия, вызывать смещение частиц, что приводит к уменьшению пустого пространства между ними и последующему уплотнению слоя облегченной насыпи. Следуя этим процедурам, уплотнение приведет к уменьшению толщины каждого слоя и, следовательно, объема насыпи примерно на 10% (как показано в 3.1), это состояние компактности необходимо для обеспечения долгосрочных характеристик облегченной насыпи на путях сообщения.
Рисунок 32 – Эффект динамического воздействия (кривая а) и статического воздействия (кривая b), возникающий при прохождении катком, и комбинированный эффект обоих действий (кривая c) - по материалам Ди Приско (2007)
Следует также отметить, что при уплотнении слоев дорожного покрытия на облегченной насыпи, эффект прохода катка также будет ощущаться на облегченной насыпи, особенно в верхней ее части, даже если каток не проходит непосредственно по Geo Leca®. Проведенные испытания показывают, что суммарное воздействие статических и динамических усилий в результате прохода катком достигает максимальной глубины от 30 до 70 см. На рисунке 32 схематически представлена комбинация упомянутых действий (кривая c), где кривая b представляет влияние массы оборудования, а кривая a представляет динамическое воздействие, вызванное тем же оборудованием. Обычная насыпь поверх облегченной насыпи должна возводиться в соответствии со стандартными процедурами и с учетом типа рассматриваемого дорожного покрытия. Тем не менее, рекомендуется, чтобы слой непосредственно над облегченной насыпью был толщиной 30 см, чтобы обеспечить адекватное снижение собственной массы оборудования и одновременно способствовать дополнительному уплотнению в верхнем слое облегченной насыпи. Также рекомендуется минимум 6 проходов катка по этому слою, как правило, возведенному из измельченных заполнителей.
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)
В местах, где невозможно напрямую разгрузить Geo Leca® с использование мнавалочных грузовиков, можно использовать полуприцепы с цистернами, способные перевозить материал объемом порядка 50 м3 и разгружать путем перекачивания в течение около 2 часов – Рисунки 38 и 39.
Рисунок 38 – Выгрузка Geo Leca® из цистерны на заднюю стенку габиона (IC9, Томар)
Рисунок 39 – Перекачивание Geo Leca® на заднюю стенку (Станция Альфарелос, Суре)
Возможно обеспечить перекачку материала в места, значительно удаленные от цистерны. На рисунках 40-a и 40-b показан пример, где Geo Leca® был закачан в удаленную точку в 40 м по горизонтали и 15 м по вертикали от места, где стояла автоцистерна.
Рисунок 40-а и 40-b - Выгрузка Geo Leca® из цистерны в районе Шиаду (Лиссабон)
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)