авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Моделирование и расчет армированных многослойных плит на упругом основании

-- [ Страница 3 ] --

На основании результатов численного решения определена зависимость эффекта армирования (см. (20)) от соотношения площадей загружения Ар и характерной ячейки георешетки Аg. Результаты представлены в виде графиков (рис. 12).

 а б Зависимость эффекта-122

а

б

Рис. 12. Зависимость эффекта армирования от относительной площади загружения.

1 – суглинок, hg=200 мм; 2 – суглинок, hg=150 мм;

3 – песок, hg=200 мм; 4 – песок, hg=150 мм.

В пятой главе разработаны расчетные модели конструкции дорожной одежды с решетчатой плитой в основании (рис. 13). Обсуждаются результаты численного решения методом конечных элементов. Дается оценка влияния конструктивных параметров решетчатой плиты на её жесткость. Приводятся результаты стендовых и натурных испытаний конструкции дорожной одежды с решетчатой плитой в основании.

Особенностью конструкции является то, что несущим слоем основания служит решетчатая плита, объединяющая соседние слои и вовлекающая их в совместную работу без взаимного проскальзывания.

 Конструкция дорожной одежды. 1 –-123

Рис. 13. Конструкция дорожной одежды.

1 – асфальтобетон; 2 – цементобетонная решетчатая плита;

3 – цементогрунт; 4 – грунтовое основание.

Разработано три направления моделирования. Первое (принцип осреднения жесткостей) строится на предположении об эквивалентности прогибов многослойных дорожных одежд со сплошной и решетчатой плитами. На основании этой гипотезы и с учетом гипотезы прямых нормалей многослойная конструкция рассчитывается как эквивалентная ей по жесткости ортотропная плита с приведенными цилиндрическими жесткостями Dx, Dy и осредненными коэффициентами поперечной деформации x, y. Для расчета ортотропной плиты на упругом основании применяется метод конечных элементов с дискретизацией плиты прямоугольными несовместными изопараметрическими конечными элементами с 12 степенями свободы. Дискретная модель упругого основания Винклера представлена пружинами, расположенными в узловых точках. Жесткость пружин зависит от коэффициента постели основания и размеров прямоугольных конечных элементов плиты.

Недостатком данной модели является то, что гипотеза прямых нормалей приводит к грубой оценке напряженного состояния конструкции в целом, не учитываются геометрические параметры отверстий решетчатой плиты, нельзя оценить напряженно-деформированное состояние внутри отверстий.

Второе направление основано на аппроксимации решетчатой плиты пространственной стержневой конструкцией в виде системы перекрестных балок с переменной по длине формой сечения. Данный подход позволяет более точно по сравнению с принципом осреднения оценивать влияние геометрических параметров решетчатой плиты на ее напряженно-деформированное состояние. Его недостатком является то, что он не позволяет оценить напряженно-деформированное состояние дополнительного слоя основания дорожной одежды и заполнения ячеек плиты, а также не учитывает влияние слоя асфальтобетона на НДС дорожной одежды.

Более предпочтительным для аппроксимации конструкции дорожной одежды с решетчатой плитой в основании является третье направление –использование объемных конечных элементов, получившее развитие в исследованиях Е.А. Мартынова, выполненных под руководством автора этих строк. Преимущество данного вида аппроксимации заключается в том, что для моделирования анизотропной конструкции используется модель изотропного тела, которая справедлива в рамках отдельного конечного элемента. Комбинация из изотропных конечных элементов с различными физико-механическими свойствами позволяет моделировать конструктивную анизотропию.

При экспериментальном исследовании дорожных одежд решались следующие задачи: определение прогибов покрытия; определение относительных деформаций плит основания. Испытания проводились по четырем схемам нагружения: 1 – в центре плиты; 2 – в середине длинной стороны плиты; 3 – в углу плиты; 4 – в середине короткой стороны плиты. Передачу нагрузки на испытываемые конструкции осуществляли посредством жесткого металлического штампа диаметром 0,33 м. Загружение проводили ступенями величиной 10 кН каждая с доведением нагрузки до расчетного значения 50 кН.

Из графиков на рис. 14 следует, что установленный экспериментально максимальный прогиб опытной конструкции с решетчатой плитой (кривая 1) на 16,4 % ниже по сравнению с прогибом базовой конструкции со сплошной плитой (кривая 2). Значения прогибов, полученных в результате расчета, достаточно близки к экспериментальным – их расхождение не превышает 8,5 % для модели с осредненными жесткостями. Расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями максимальных растягивающих напряжений не превышает 10,9 %.

Использование второй модели – модели перекрестных балок на упругом основании приводит к результату, представленному на рис. 15, где показана зависимость упругих прогибов w решетчатой плиты на упругом основании при ее центральном нагружении от угла наклона стенок отверстий . Данный график наглядно демонстрирует чувствительность жесткости конструкции дорожной одежды к изменению угла наклона . С увеличением угла в пределах 0 < < пр жесткость всей конструкции возрастает. При достижении предельной величины = пр отверстие полностью перекрывается и плита уже не может быть отнесена к категории решетчатых. Для построения графика (рис. 15,б) в качестве исходных данных использованы параметры существующей плиты: длина 3 м; ширина 1,5 м; толщина стенки между соседними отверстиями t = 0,08 м; толщина плиты h = 0,16 м; шаг отверстий по длине а = 0,4172 м и ширине b = 0,284 м.

Рис. 15. Влияние угла наклона стенок отверстий решетчатой плиты на ее жесткость.

a – фрагмент поперечного сечения решетчатой плиты, проходящего через середину отверстия; б – график зависимости w – .

Расчет исследуемой конструкции с использованием объемных конечных элементов приводит к результату, представленному на рис. 16.

Рис. 16. Прогибы плиты при центральном нагружении.

1 – экспериментальные; 2 –полученные МКЭ.

Максимальное расхождение теоретических и экспериментальных прогибов не превышает 6 %, что свидетельствует о высокой степени адекватности расчетной модели.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1 Разработаны модели термоупругого деформирования слоя, армированного объёмной или плоской георешеткой с использованием математического аппарата теории упругости. Армированный таким образом грунт представляет собой новый композитный конструктивно-анизотропный материал, обладающий управляемой анизотропией, которая зависит как от свойств грунта, так и от свойств армирующей структуры. На основе структурного подхода получены формулы, позволяющие аналитическим путем определять физико-механические свойства армированного грунта как композитного материала.

2 Исследовано влияние структуры армирования на физико-механические характеристики композита «грунт-георешетка». Получены количественные оценки упругих постоянных (модулей упругости, сдвига, коэффициентов Пуассона, коэффициентов линейного температурного расширения) армированного (композитного) слоя в зависимости от очертания характерной ячейки объемной георешетки, направления армирующих волокон плоской георешетки и интенсивности армирования в каждом направлении, свойств основного материала слоя и свойств армирующей георешетки. Установлено, что

- армирование грунта объемными георешетками в первую очередь повышает его сдвигоустойчивость и сжимаемость;

- высота стенки георешетки не влияет на физико-механические характеристики композита «грунт-георешетка».

3 Разработаны принципы конструирования новых объемных георешеток с разными геометрическими формами характерных ячеек, обеспечивающими получение армированного слоя с заранее заданными свойствами.

4 Разработана теория продольно-поперечного изгиба полиармированной плиты на упругом основании, включающая

- расчетную модель многослойной конструкции, армированной геосинтетическими материалами, в виде полиармированной плиты. Из основных геометрических, физических и статических соотношений выведено дифференциальное уравнение изгиба полиармированной плиты. Коэффициенты дифференциального уравнения получены с учетом количества слоев в плите, их толщины, структуры армирования, расположения армированных слоев в конструкции;

- решение дифференциального уравнения изгиба полиармированной плиты как с учетом, так и без учета сил трения между плитой и основанием. Установлено, что влияние сил трения на прогибы плиты несущественно, поэтому в практических расчетах им можно пренебречь.

5 Разработаны методы расчета напряженно-деформированного состояния многослойных дорожных конструкций со слоями, армированными геосинтетическими материалами, на статическую нагрузку и температурные воздействия, позволяющие определять не только прогибы, но и напряжения в слоях и армирующих структурах.

а) Разработан метод расчета, использующий теорию продольно-поперечного изгиба полиармированной плиты на упругом основании. Так, для четырехслойной конструкции, состоящей из двух слоев асфальтобетона толщиной и , слоя цементобетона толщиной и гравийного основания с песчаным заполнителем толщиной этим методом получено решение, позволяющее установить, что введение армирующей прослойки из геосетки между двумя верхними слоями асфальтобетона приводит к снижению изгибающего момента в многослойной плите на 25,7 % и снижению растягивающих и сжимающих напряжений в цементобетонной плите соответственно на 24,7 и 26,3 %.

б) Разработан метод расчета в напряжениях для многослойной конструкции постоянной и переменной ширины с использованием модели плоской задачи теории упругости и привлечением рядов Фурье. Коэффициенты ряда Фурье находятся из граничных условий и условий сопряжения слоев из изотропного и ортотропного материалов. Результаты расчета двухслойной конструкции, верхний слой которой армирован объёмной георешеткой Geoweb, качественно совпадают с результатами натурного эксперимента.

в) Разработан метод расчета, базирующийся на методе конечных элементов с использованием объемных и пластинчатых конечных элементов. Произведена оценка влияния геометрических параметров объемной георешетки на прогибы дорожной конструкции. Анализ полученных результатов показал, что наибольший эффект по снижению прогибов грунта, армированного георешеткой, достигается на грунтах с низкими модулями упругости. Для суглинка уменьшение прогиба составляет 10 %, для песка - менее 5 %. Увеличение высоты георешетки со 150 до 200 мм не дает ощутимого эффекта: прогибы снижаются менее чем на 2 % для суглинка и менее 1% для песка. При уменьшении грузовой площадки прогибы значительно увеличиваются, а эффект армирования - снижается. С увеличением размеров георешетки c 200200 до 400400 мм прогибы возрастают на 10,4 и 4,3% для суглинка и песка соответственно.

6 Проведены лабораторные, стендовые и натурные экспериментальные исследования, а также научное сопровождение строительства опытных участков автомобильной дороги с основаниями дорожных одежд, армированными объемными георешетками.

а) В результате лабораторных исследований установлены значения модуля упругости и коэффициента Пуассона материала объемной георешетки Geoweb.

б) Выполнена опытная проверка в натурных условиях свойств оснований дорожных одежд, армированных геосинтетическими материалами. В процессе испытания экспериментальных дорожных конструкций доказано, что наибольший эффект от армирования основания получен при использовании в качестве заполнителя ячеек объёмной георешетки мелкозернистого материала - песка (до 36 %). Использование же в качестве заполнителя крупнозернистого материала (щебня фракции 40 мм и более) приводит к снижению деформативных свойств основания, а потому для строительства оснований дорожных одежд нецелесообразно. Данный вопрос о возможности и целесообразности использования крупных фракций щебня для заполнения ячеек объёмной георешетки до сих пор нигде не рассматривался: ни в открытых публикациях, ни в нормативно-методических материалах.

в) Проведены стендовые и натурные экспериментальные исследования конструкций дорожных одежд с решетчатой плитой в основании.

7 Разработаны модели деформирования многослойной конструкции с решетчатой плитой в основании, включая модель приведенных жесткостей, основанную на классической теории изгиба ортотропных плит со сплошными слоями, модель перекрестных балок на упругом основании, модель с использованием объёмных конечных элементов.

а) Расчетная модель приведенных жесткостей дает возможность с достаточной степенью точности оценить напряженно-деформированное состояние реальных конструкций жестких дорожных одежд с основанием из решетчатых плит. Расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями прогибов не превышает 8,5 %, максимальных растягивающих напряжений - 10,9 %.

б) Модель перекрестных балок на упругом основании позволяет получить следующие количественные оценки напряженно-деформированного состояния дорожной конструкции:

  • расхождения между экспериментальными и теоретическими значениями максимальных прогибов 10-12%;
  • доля нормальных напряжений в стенках между отверстиями плиты составила:

- от изгиба в вертикальной плоскости - до 74 %;

- от сдвиговых деформаций при изгибе в вертикальной плоскости - до 19 %;

- от изгиба в горизонтальной плоскости - до 4 %;

- от растяжения-сжатия - до 3 %.

Установлено, что максимальные теоретические значения нормальных напряжений на подошве решетчатой плиты удовлетворительно согласуются с экспериментальными данными, полученными для реальной конструкции, и не превышают значений расчетных сопротивлений материала плиты.

в) Расчетная модель с использованием объёмных конечных элементов приводит к наиболее точному результату: максимальное расхождение теоретических и экспериментальных прогибов не превышает 6 %. Данная модель позволяет учесть проскальзывание слоев, которое моделируется введением дополнительного "фиктивного" слоя толщиной 1 мм с модулем упругости 0,1 МПа. Результатом этого является следующая количественная оценка: прогибы четырехслойной конструкции с решетчатой плитой на 15,2 % выше, чем аналогичной конструкции со сплошной плитой при условии полного сцепления слоев; для случая отсутствия сцепления между слоями прогибы в конструкции с решетчатой плитой ниже на 20,5 %.

На основе анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований доказано следующее.

а) Наибольший эффект от армирования основания объемной георешеткой достигается:

- на грунтах с низкими модулями упругости;

- при использовании в качестве заполнителя ячеек объёмной георешетки мелкозернистого материала - песка. Использование в качестве заполнителя крупнозернистого материала (крупного щебня) приводит к снижению деформативных свойств основания, а потому для строительства оснований дорожных одежд нецелесообразно.

б) При соотношении площадей грузовой площадки и характерной ячейки георешетки 4:1 и более достигается наибольший эффект армирования. При уменьшении грузовой площадки прогибы значительно увеличиваются, а эффект армирования снижается. С увеличением размеров характерной ячейки георешетки происходит то же самое - прогибы возрастают, а эффект армирования снижается.

в) Увеличение высоты объёмной георешетки не дает ощутимого эффекта: прогибы армированного слоя снижаются несущественно.

Основные результаты исследований опубликованы в монографии, 49 научных работах и 6 научно-технических отчетах по НИР.

Публикации автора. Перечень основных работ соискателя по теме диссертации:

  1. Матвеев С.А., Лаптев О.П., Одегов П.И. Экспериментально-теоретические исследования балочного элемента, работающего в условиях пространственного изгиба / СибАДИ. Омск, 1993.– 15 с. – Деп. в ВИНИТИ, № 2704 - В93.
  2. Матвеев С.А., Сикаченко В.М. Результаты экспериментально-теоретических исследований жестких дорожных одежд с ортотропными слоями // Автомобильные дороги Сибири: Тез. докл. Всеросс. Междунар. науч.-техн. конф. – Омск: СибАДИ, 1994. – С. 65 – 66.
  3. Матвеев С.А., Сикаченко В.М. Расчет многослойных конструкций дорожных одежд с ортотропными слоями. / СибАДИ. Омск, 1994.– 15 с. – Деп. в ВИНИТИ, № 527-В94.
  4. Матвеев С.А., Сикаченко В.М. Пути повышения несущей способности дорог // Автомобильные дороги Сибири: Тез. докл. Всеросс. Междунар. науч.-техн. конф. – Омск: СибАДИ, 1994. – С. 66 – 67.
  5. Матвеев С.А., Сикаченко В.М. Моделирование и расчет решетчатой плиты как конструктивного элемента дорожной одежды // Автомобильные дороги Сибири: Тез. докл. Всеросс. Междунар. науч.-техн. конф. – Омск: СибАДИ, 1994. – С. 64 – 65.
  6. Матвеев С.А. Программное обеспечение автоматизированного

проектирования конструкций дорожных одежд со сборным покрытием //

Совершенствование методов проектирования и строительства автомобильных дорог России. IХ научное направление: Cб. аннот. науч. тем. – Омск: СибАДИ, 1994. – С. 38-39



Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.