Оценка напряжённо-деформированного состояния дорожной одежды лесных дорог, усиленной геосинтетическими оболочками

Полный текст

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 h_п = 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.

1. Напряжённо-деформированное состояние геосинтетических оболочек в составе дорожной одежды лесных дорог существенно зависит от геометрических соотношений толщины и ширины оболочки.
2. Для отношений b_o/h_o менее 4 применение геосинтетических оболочек не эффективно. Значения вертикальных перемещений верха дорожной одежды под колесом расчётного автомобиля для неармированного основания меньше, чем для армированного.
3. Наиболее рационально использование геосинтетических оболочек с соотношением b_o/h_o от 6 до 8.
4. Проведённые исследования хорошо согласуются с результатами экспериментальных модельных исследований, приведённых в работе [7].

Об авторах

Ольга Николаевна Бурмистрова

Ухтинский государственный технический университет

Email: vlivkl@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2616-7557
SPIN-код: 1301-0911

доктор технических наук, профессор кафедры электроэнергетики, метрологии и лесопромышленных технологий

Россия, 169300, Ухта, ул Первомайская, 13

Игорь Николаевич Кручинин

Уральский государственный лесотехнический университет

Email: vlivkl@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2027-9742
SPIN-код: 6484-3424

доктор технических наук, профессор кафедры автомобильных дорог, мостов и тоннелей

Россия, 620100, Екатеринбург, Сибирский тракт, 37

Владимир Иванович Клевеко

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: vlivkl@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7251-9598
SPIN-код: 5310-4141

кандидат технических наук, доцент кафедры строительного производства и геотехники

Россия, 614000, Пермь, Комсомольский пр., 29

Список литературы

Дополнительные файлы