Assessment of the stress-strain state of the forest road pavement reinforced with geosynthetic shells
- Authors: Burmistrova O.N.1, Kruchinin I.N.2, Kleveko V.I.3
-
Affiliations:
- Ukhta State Technical University
- Ural State Forest Engineering University
- Perm National Research Polytechnic University
- Issue: No 2 (62) (2024)
- Pages: 56-63
- Section: TECHNOLOGIES AND MACHINES OF FORESTRY
- URL: https://bakhtiniada.ru/2306-2827/article/view/278631
- DOI: https://doi.org/10.25686/2306-2827.2024.2.56
- EDN: https://elibrary.ru/DIWXCD
- ID: 278631
Cite item
Full Text
Abstract
Introducion. Forest roads play an important role in the development of forestry. They provide access to forest expanses, which enables logging operations, timber removal, forest monitoring and research. Reduction of wood removal costs is a pressing issue for the forest sector, which can be tacked, inter alia, by cutting expenditures on the construction and operation of forest roads through the use of tread pavement. One of the options for constructing this type of road pavement is to utilize shells made of geosynthetic materials. However, the functioning of such structures has not been sufficiently investigated.
The purpose of the research is to study the stress-strain state of the geosynthetic shells as a component of road pavement by applying the numerical method.
Objects and methods. The objects of the research are geosynthetic shells designed to reinforce the road pavement base. To study their functioning, the finite element method was employed.
Results. The article presents the results of the numerical modeling of the design of a transition-type road pavement reinforced with geosynthetic shells. The studies undertaken have shown that the use of geosynthetic shells makes it possible to reduce the vertical deformation. With a shell thickness of 0.2 m, vertical movements decrease by 20–48% depending on the width of the shell, and with a shell thickness of 0.4 m - up to 59%.
Conclusion. The proposed designs of road pavements reinforced with geosynthetic shells allow for a significant reduction in the vertical deformation of the forest road pavement. The efficiency of using geosynthetic shells in transition-type pavement structures of forest roads depends on the geometric parameters of the shells.
Full Text
Введение
Лесная промышленность является одной из важных отраслей экономики многолесных регионов, поскольку лесохозяйственный комплекс имеет для него большое значение. Лесные ресурсы здесь используются для производства древесины, целлюлозы, бумаги, пиломатериалов, а также для добычи древесной биомассы. Эти продукты используются как на местном уровне, так и для экспорта. Лесная промышленность способствует развитию экономики регионов, созданию рабочих мест и обеспечению местного населения древесными материалами, топливом и другими продуктами лесопереработки. Кроме того, леса играют важную роль в поддержании экологического баланса, сохранении биоразнообразия и оказании благоприятного воздействия на климат.
Также важно учитывать, что лесная промышленность не только создаёт рабочие места, но и участвует в обеспечении местного населения древесными материалами, топливом и другими продуктами лесопереработки, что имеет большое значение для социально-экономического развития, например, Пермского края. Поэтому лесные дороги играют важную роль в развитии лесного хозяйства, обеспечивая доступ к лесным ресурсам, облегчая проведение лесозаготовительных работ и обеспечивая защиту лесов от различных угроз.
Лесные дороги имеют ряд существенных отличий от автомобильных дорог общей сети. Так для лесных дорог, особенно для лесовозных, характерны относительно небольшая интенсивность движения и повышенная нагрузка от колеса автомобиля. В составе транспортного потока лесовозных дорог преобладают специализированные автопоезда, предназначенные для перевозки лесоматериалов. Нагрузки от колёс современных автопоездов могут превышать значения нормативных нагрузок по СП 288. 1325800.2016 «Дороги лесные. Правила проектирования и строительства».
Для уменьшения затрат на вывозку древесины необходимо снижать стоимость строительства и эксплуатации лесных дорог, но при этом нельзя допускать ухудшения их транспортно-эксплуатационных характеристик. Одним из путей снижения стоимости строительства является применение колейного типа покрытия [1]. Применение такого типа покрытия особенно актуально для временных лесовозных дорог (усы, подъезды), срок службы которых составляет от одного до пяти лет. Одним из способов устройства колейного типа покрытия является использование оболочек из геосинтетического материала. Это позволяет уменьшить объёмы земляных работ до 40 % и снизить использование кондиционных дорожно-строительных материалов [2].
Изучение возможности применения и особенностей работы геосинтетических оболочек в строительстве рассмотрено в целом ряде исследований, как в зарубежных странах [2–6], так и в нашей стране [7–11]. Однако особенности напряжённо-деформированного состояния таких конструкций изучены ещё недостаточно хорошо.
Цель работы – изучение напряжённо-деформированного состояния геосинтетических оболочек с помощью численного метода, реализованного в программе Praxis 2D.
В задачи входило исследование влияния толщины и ширины геосинтетических оболочек на вертикальную осадку покрытия под колесом расчётного автомобиля и на максимальные растягивающие напряжения в геосинтетических оболочках.
Результаты
Объектами исследования являются геосинтетические оболочки, предназначенные для усиления основания дорожной одежды. Для исследования их работы был применён метод конечных элементов.
На рис. 1 представлена конструкция дорожной одежды с геосинтетическими оболочками.
Рис. 1. Конструкция дорожной одежды с геосинтетическими оболочками
Fig. 1. Construction of pavement reinforced with geosynthetic shells
В качестве исходных данных была принята следующая конструкция дорожной одежды:
- покрытие дорожной одежды – щебень фракционированный, толщиной hп = 0,15 м с модулем деформации, Е1=450 МПа;
- засыпка оболочки – песок с модулем упругости, Е2=130 МПа;
- грунт земляного полотна – суглинок с удельным сцеплением с =5 кПа, углом внутреннего трения f=5 град, и модулем упругости, Е3=29 МПа;
- линейная жёсткость на растяжение геосинтетической оболочки, 500 кН.
Нагрузка от колеса расчётного автомобиля была принята 65 кН.
Были выполнены две серии расчётов для оболочек толщиной 0,2 и 0,4 м. Для выявления зависимости напряжённо-деформированного состояния оболочек от их ширины в каждой серии расчётов были назначены три варианта ширины оболочки – минимальная, максимальная и промежуточная. Минимальная ширина оболочки была принята исходя из расчётной ширины колеса автомобиля с учётом распределяющей способности покрытия. Максимальная ширина оболочки назначена по геометрическим параметрам возможности её размещения по колее расчётного автомобиля.
Результаты расчёта конструкции дорожной одежды представлены в таблице. Для оценки эффективности применения геосинтетических оболочек в конструкциях дорожных одежд были выполнены расчёты аналогичной дорожной одежды без армирования.
В качестве примера на рис. 2–5 представлены результаты расчёта дорожной одежды с геосинтетическими прослойками толщиной 0,2 м и шириной 1,2 м.
Результаты расчёта дорожной одежды
Results of road pavement calculations
Ширина оболочки, м | Высота оболочки, м | Растягивающее усилие в оболочке, кН | Вертикальное перемещение, мм |
Без оболочки | 0,2 | – | 6,92 |
0,8 | 0,2 | 1,25 | 9,76 |
1,2 | 0,2 | 1,27 | 5,51 |
1,6 | 0,2 | 1,30 | 3,59 |
Без оболочки | 0,4 | – | 3,82 |
1,0 | 0,4 | 1,0 | 7,62 |
1,2 | 0,4 | 0,59 | 4,63 |
1,6 | 0,4 | 0,55 | 1,57 |
Рис. 2. Расчётная схема для оболочки толщиной 0,2 м и шириной 1,2 м
Fig. 2. Design diagram for a shell with a thickness of 0.2 m and a width of 1.2 m
Рис. 3. Деформированная схема для оболочки толщиной 0,2 м и шириной 1,2 м
Fig. 3. Deformed diagram for a shell with a thickness of 0.2 m and a width of 1.2 m
Рис. 4. Эпюра распределения растягивающих напряжений в геосинтетической оболочке толщиной 0,2 м и шириной 1,2 м
Fig. 4. Diagram of the distribution of tensile stresses in a geosynthetic shell with a thickness of 0.2 m and a width of 1.2 m
Рис. 5. Распределение вертикальных перемещений для конструкции дорожной одежды с геосинтетической оболочкой толщиной 0,2 м и шириной 1,2 м
Fig. 5. Vertical displacement distribution for a pavement structure reinforced with a geosynthetic shell with a thickness of 0.2 m and a width of 1.2 m
Выводы
Анализ результатов выполненного численного моделирования работы дорожной одежды с усиливающими элементами в виде геосинтетических оболочек позволяет сделать следующие выводы и рекомендации.
- Напряжённо-деформированное состояние геосинтетических оболочек в составе дорожной одежды лесных дорог существенно зависит от геометрических соотношений толщины и ширины оболочки.
- Для отношений bo/ho менее 4 применение геосинтетических оболочек не эффективно. Значения вертикальных перемещений верха дорожной одежды под колесом расчётного автомобиля для неармированного основания меньше, чем для армированного.
- Наиболее рационально использование геосинтетических оболочек с соотношением bo/ho от 6 до 8.
- Проведённые исследования хорошо согласуются с результатами экспериментальных модельных исследований, приведённых в работе [7].
About the authors
Olga N. Burmistrova
Ukhta State Technical University
Email: vlivkl@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2616-7557
SPIN-code: 1301-0911
Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Electric Power Engineering, Metrology and Forestry Technologies
Russian Federation, 13, Pervomayskaya St., Ukhta, 169300Igor N. Kruchinin
Ural State Forest Engineering University
Email: vlivkl@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2027-9742
SPIN-code: 6484-3424
Doctor of Technical Sciences, Professor, Department of Highways, Bridges and Tunnels
Russian Federation, 37, Siberian Tract, Yekaterinburg, 620100Vladimir I. Kleveko
Perm National Research Polytechnic University
Author for correspondence.
Email: vlivkl@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7251-9598
SPIN-code: 5310-4141
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Construction Operations and Geotechnics
Russian Federation, 29, Komsomolsky Prospekt, Perm, 614990References
- Burgonutdinov A. M., Burmistrova O. N., Kleveko V. I. et al. Application of reinforced soil foundations in the construction of wooden bridge abutments along logging road. Lesnoy Zhurnal (Russian Forestry Journal). 2023;(3(393)):113–125. doi: 10.37482/0536-1036-2023-3-113-125 ; EDN: MIAEZI (In Russ.).
- Tumashik I. I., Vyrko N. P., Lashchenko A. P. et al. Reinforcement of forest roads with geosynthetic materials using the soil-in-shell method. Aktual'nye problemy lesnogo kompleksa. 2007;(18):60–63. EDN: TZQKQX (In Russ.).
- Xu Y. F., Huang J. Case study on Earth reinforcement using soilbags. In: Geosynthetics in Civil and Environmental Engineering – Proceedings of the 4th Asian Regional Conference in Geosynthetics. June 17–20, 2008, Shanghai, China. Berlin, Heidelberg: Springer; 2009:597–602. doi: 10.1007/978-3-540-69313-0_111
- Xiong B., Tian B., Lu X. et al. A new structure of geotextile called soil nets for reinforcement. Advances in Materials Science and Engineering. 2017;(1):9518593. doi: 10.1155/2017/9518593
- Matsuoka H., Liu S. New earth reinforcement method by soilbags ("donow"). Soils and Foundations. 2003;43(6):173–188. doi: 10.3208/sandf.43.6_173
- Xu Y., Huang J., Du Y. Earth reinforcement using soilbags. Geotextiles and Geomembranes. 2008;26(3):279–289. doi: 10.1016/j.geotexmem.2007.10.003
- Semenov D. A., Kleveko V. I. Experimental studies of road bases reinforced with geosynthetic shells of various spatial configurations. In: Modern technologies in construction. Theory and practice. Proceedings of the 11th All-Russian Conference of Postgraduate students, Young Researchers and Students, 27-29 March 2019. Vol. 1. Perm: Perm National Research Polytechnic University; 2019:39–43. EDN: FUCDZH (In Russ.).
- Semenov D. A., Kleveko V. I. Use of geosynthetic shells in construction. Perm National Research Polytechnic University Construction and Architecture Bulletin. 2018;9(2):78–87. doi: 10.15593/2224-9826/2018.2.07 ; EDN: XRSRCP (In Russ.).
- Pshenichnikova E. S. Geotextile carcases for construction of earthworks. The Hydrotechnika. 2013;(3(32)):29–32. doi: 10.15593/2224-9826/2018.2.07 ; EDN: XRSRCP (In Russ.).
- Tumashik I. I., Garabazhiu A. A., Leonov E. A. Strength of non-advanced grounds of forest roads with limited volume deformations. Current Directions of Scientific Research of the XXI Century: Theory and Practice. 2018;6(4(40)):121–125. EDN: YSBYVN (In Russ.).
- Alekseenko V. V., Volokitin I. I., Sinyushkin A. D. Improving the shear resistance of ground technological quarry roads on loosely-bound subgrades. Izvestiia vuzov. Investitsii. Stroitel'stvo. Nedvizhimost'. 2023;13(3(46)):452–460. doi: 10.21285/2227-2917-2023-3-452-460 ; EDN: BBKPLZ (In Russ.).
Supplementary files
