Геосинтетическое стабилизирующее удержание грунта – геоячейки и георешетки Neoloy
Ведущие исследователи из Голландии, США и Индии провели полевые испытания геосинтетического армирования оснований дорог. Данные испытаний, основанные на коэффициентах деформации, жесткости и армирования для геоячеек Neoloy, постоянно показывают более высокие результаты для геоячеек Neoloy по сравнению с георешетками, в дополнение к их способности использовать для заполнения материалы низкого качества. Гибридные решения, сочетающие георешетки в слое грунтового основания и геоячейки Neoloy в базовом слое, также доказали свою высокую эффективность.
ПодробнееГеосинтетическое стабилизирующее удержание грунта – геоячейки и георешетки Neoloy
Road Reinforcement Field Trial, KIWA Institute, NL, Van Gurp and Westera (2008)
Коэффициент уменьшения геоячеистого покрытия NPA превысил значения испытаний для георешеток на 30-40% в контролируемых полевых испытаниях на жесткость и деформацию дорожных оснований с 7 георешетками ведущих производителей.
Это контролируемое полевое испытание, проведенное KIWA (ранее KOAC-NPC), ведущим институтом дорожных исследований и стандартов в Нидерландах в 2008 году, сравнило коэффициент армирования различных георешеток в базовых слоях конструкций дорожного покрытия и балластных подушках. Геоячейки NPA были единственными геоячейками среди испытанных георешеток от 7 ведущих производителей и единственным протестированным материалом, который мог бы вместить некачественный заполнитель в качестве заполнителя дорожного основания. Результаты показали, что геоячейки Neoloy имеют самый высокий коэффициент уменьшения толщины дорожного покрытия среди всех протестированных материалов (0,72) и значительно превышают значения для георешеток.
Задача – сравнение армирующих материалов
Публикация 157 CROW «Дороги с тонким асфальтом» подчеркивает важность сравнения результатов соответствующих проектов при измерении коэффициента продления срока службы (LVF), коэффициента уменьшения толщины основания дороги (FRF) и аналогичных переменных. Тем не менее, в большинстве исследований не имелось необходимого объема для сравнения производительности и характеристик отклика нескольких материалов.
Повышение несущей способности гравийных слоев основания дорожных конструкций с использованием геоячеек
Сравнительные испытания показали, что геоячейки Neoloy® могут улучшить модуль упругости слоя до 10 процентов. В исследованиях Мейера и Эмерслебена оценивалась работа механизмов армирования геоячейки, и были описаны улучшенные геотехнические инженерные воздействия, обеспечиваемые композитной структурой почвенных ячеек. Результаты полномасштабных полевых испытаний подтвердили результаты, полученные при испытаниях в боксе для плит. Геоячейки Neoloy увеличили несущую способность в 5 раз, уменьшили дифференциальную осадку до 80% и снизили вертикальные напряжения более чем на 40%; кроме этого, характеристики 40-сантиметрового слоя основания, армированного геоячейками Neoloy, равны 70-сантиметровому неармированному слою с высококачественным заполнителем.
Повышение несущей способности гравийных слоев основания дорожных конструкций с использованием геоячеек
Геоячейки Neoloy, изготовленные из разных материалов, с ячейками разной высоты и диаметра, были протестированы в испытательном боксе. Результаты испытаний показывают, что один слой увеличивает несущую способность грунта и снижает вертикальные нагрузки на мягкое земляное полотно.
Исследование включает в себя лабораторные испытания плит и асфальтобетонного покрытия на месте (дорога К-23).
Результаты показывают, что геоячейки Neoloy уменьшили вертикальные напряжения на 30, уменьшили прогибы на асфальтовом покрытии на 15, а модуль слоя при обратном расчете увеличился на 10.
Геоячейки состоят из ряда соединенных между собой одиночных ячеек, которые соединяются в местах их соединения и образуют сотовую структуру. Геоячейки расширяются на строительной площадке и заполняются грунтом. Стенки ячеек полностью покрывают материал наполнения и обеспечивают всестороннее прилегание к почве. При вертикальном нагружении в стенках ячеек мобилизуются кольцевые напряжения и сопротивление грунта в соседних ячейках, что увеличивает жесткость и деформационное поведение грунта. Были проведены модельные испытания 1g в масштабе 1:1 для оценки влияния слоя геоячеек на деформационно-нагрузочное поведение грунта. Геоячейки, изготовленные из разных материалов, с ячейками разной высоты и разного диаметра, были испытаны в испытательном боксе с внутренними размерами 2 м в длину, 2 м в высоту и 2 м в ширину. Для имитации мягкого материала земляного полотна использовался искусственный смешанный грунт под названием «Glyben». Результаты испытаний показывают, что слой геоячеек увеличивает несущую способность грунта и снижает вертикальные нагрузки на мягкое земляное полотно. Для проверки этих результатов были проведены испытания на месте армированных и неармированных геоячеек на различных конструкциях дорог с асфальтовым покрытием. Испытания на пересечение транспортных средств и измерения дефлектометра падающего веса показывают, что напряжения под слоем геоячеек снизились примерно на 30 процентов, прогибы на асфальтовой поверхности уменьшились примерно на 15 процентов, а модуль слоя при обратном расчете увеличился примерно на 10 процентов по сравнению с неармированным испытательным участком.
Использование геоячеек в дорожном строительстве на мягком грунте: Измерения дефлектометром вертикального напряжения и падающего груза
Крупномасштабные испытания показали, что геоячейки Neoloy® увеличивают несущую способность и снижают вертикальное напряжение на мягких грунтах. Геоячейки Neoloy обеспечивают более жесткий слой, который распределяет нагрузки по более широкой площади и снижает нагрузку на слой земляного полотна. Повышенный модуль грунта позволяет сэкономить ~30% слоя асфальта и значительно уменьшить общую толщину покрытия.
Использование геоячеек в дорожном строительстве на мягком грунте: Измерения дефлектометром вертикального напряжения и падающего груза
Для оценки влияния слоя геоячеек на деформационное поведение грунта под нагрузкой были проведены крупномасштабные модельные испытания на статическую нагрузку на испытательном стенде и в рамках двух полевых испытаний конструкций дорог с асфальтовым покрытием.
Геоячейки увеличивают несущую способность грунта засыпки в 1,1-1,7 раза.
Вертикальные напряжения в мягком грунтовом основании уменьшились примерно на 30%, а прогибы на поверхности уменьшились примерно на 25%.
Характеристики 40-сантиметрового армированного слоя Neoloy с заполнением среднего качества были равны 70-сантиметровому неармированному слою высококачественного заполнителя.
Геоячейки состоят из ряда соединенных между собой одиночных ячеек, изготовленных из различных типов полимеров. Геоячейки расширяются на строительной площадке и заполняются грунтом. Стенки ячеек полностью покрывают материал наполнения и обеспечивают всестороннее прилегание к почве. При вертикальном нагружении в стенках ячеек мобилизуются кольцевые напряжения и сопротивление грунта в соседних ячейках, что увеличивает жесткость и деформационное поведение грунта. Таким образом, слои грунта с геоячейками действуют как жесткий мат и распределяют вертикальные транспортные нагрузки по гораздо большей площади грунта земляного полотна. Для оценки влияния слоя геоячеек на деформационное поведение грунта были проведены крупномасштабные испытания на статическую нагрузку. Результаты испытаний показывают, что слой геоячеек увеличивает несущую способность материалов заполнения до трех раз по сравнению с неармированным грунтом. Вертикальные напряжения на мягком грунтовом основании, измеренные восемью датчиками давления грунта, также уменьшились примерно на 30 процентов. Для проверки результатов модельных испытаний в пределах различных дорожных конструкций проводились полевые испытания. Для измерения влияния слоев геоячеек на распределение напряжений на земляном полотне были установлены датчики давления грунта. После завершения строительства дороги были проведены испытания на пересечение 40-тонным грузовиком с измерением напряжений на земляном полотне. По сравнению с неармированным испытательным участком напряжения под слоем геоячеек были снижены примерно на 30 процентов. В дополнение к измерениям вертикального напряжения в армированных и неармированных тестовых секциях были проведены измерения дефлектометром падающего груза (FWD). Результаты показывают, что прогибы, измеренные на испытательном участке, армированном геоячейками, были значительно меньше, чем на неармированном участке. Модули слоя при обратном расчете были значительно выше в армированной геоячейками секции по сравнению с неармированной секцией.
Исследования стабилизации железнодорожных путей, балласта и насыпей с использованием геоячеек Neoloy
Подробная техническая документация включает опубликованные Палесе, Зарембски (и др.) результаты обширного мониторинга проекта стабилизации рельсов компании Amtrak с использованием геоячеек Neoloy, которые показали 7-кратное сокращение затрат на техническое обслуживание пути; опубликованные Кифом результаты проектов гибридного армирования, показывающие, как геоячейки Neoloy уменьшают подъем расширяющихся глинистых грунтов; а также опубликованное исследование Б. Лещинского и Линга по испытаниям на нагрузку и численному анализу модели железнодорожных насыпей, которое продемонстрировало, что геоячейки Neoloy снижают вертикальную деформацию и поперечное смещение более чем на 50% и повышают жесткость пути более чем на 160%.
Исследования стабилизации железнодорожных путей, балласта и насыпей с использованием геоячеек Neoloy
Всестороннее испытание производительности было проведено на высокоскоростном железнодорожном пути, который пострадал от ухудшения геометрии пути и проблем с основанием. В рамках программы Федерального управления железных дорог США (FHA) по продвижению инновационных железнодорожных технологий компания Amtrak (Национальная железнодорожная корпорация США) использовала геоячейки PRS Neoloy® для добавления поддержки и жесткости при полной реконструкции участка железнодорожного коридора с высокой интенсивностью движения с сильным обрастанием балласта из проблемных грунтов, по которому ежедневно проходит 2200 высокоскоростных пригородных и грузовых поездов. Проект и воздействие геоячеек Neoloy полностью контролировалось и регулярно оценивалось компанией Harsco Rail Consulting Group, старшими исследователями университетов Делавэра и Колумбии, а также FHA и Amtrak с целью оценки воздействия геоячеек NPA (новая полимерная смесь) на производительность геометрии пути.
Авторы отчета (Палесе, Харсоу, Зарембски, Томпсон, Пагано и Линг) представили свои выводы на конференции 2017 AREMA (Конференция Американской ассоциации железнодорожного машиностроения и технического обслуживания пути). Они пришли к выводу, что геоячейки Neoloy значительно улучшают распределение давления грунтового основания и снижают скорость ухудшения геометрии пути. В частности, геоячейки Neoloy снизили давление на границе раздела балласта и земляного полотна на 50% и сократили циклы технического обслуживания пути более чем в 6 раз. Это обычно означает сокращение циклов технического обслуживания с 3-4 месяцев до 1 раза в 3 года, что представляет собой значительную окупаемость инвестиций для участка, где наблюдается ухудшение геометрии пути и требуется частое обновление покрытия.
Результаты – значительное снижение давления, более стабильная геометрия пути.
На участке пути, армированном геоячейками Neoloy, зарегистрированная величина давления составила примерно 50% давления на неармированном перестроенном участке пути. Данные, зафиксированные в течение 6-месячного периода после восстановления пути, показывают, что усиленная секция была стабилизирована, испытывая небольшую деградацию, в то время как неармированная секция подвергалась высокой скорости деградации. График индекса качества пути (TQI) до и после установки армирования Neoloy Geocell.
Перед восстановлением и установкой материала геоячейки была рассчитана скорость деградации TQI, равная 0,0265 дюйма/месяц. После восстановления с использованием материала геоячейки была рассчитана скорость 0,004 дюйма/месяц, что соответствует снижению скорости ухудшения геометрии пути в 6,7 раз. Следовательно, в то время как ранее путь требовал обслуживания каждые 3-4 месяца, с армированием геоячейками Neoloy цикл обслуживания может быть увеличен до одного раза в 3 года. Результаты показали, что участок, на котором наблюдается ухудшение геометрии пути и не реже одного раза в год проходит замена покрытия, может стать кандидатом на установку геоячеек Neoloy с положительной окупаемостью инвестиций.
Предполагая, что стоимость покрытия составляет 12 000 долларов США за милю и затраты на задержки поездов примерно равны 25 000 долларов США за милю, и используя оценку срока службы геоячейки NPA, равную 50 годам, было подсчитано, что при использовании геоячеек Neoloy можно ожидать окупаемость инвестиций примерно в 112%.
Эффективность геоячеек и георешеток
Серьезные исследования, основанные на полевых, лабораторных и численных анализах, проведенные Раджагопалом (и др.), признанным во всем мире лидером в области геотехнической инженерии, и Кифом (и др.), опытным инженером-геотехником, подтвердили, что MIF (коэффициент улучшения модуля) является надежным методом количественной оценки вклада Geocell Neoloy (NPA — новая полимерная смесь) в конструкции дорожного покрытия, который можно использовать в методологии проектирования всех типов автомобильных, железнодорожных и тяжелых покрытий, особенно на экспансивных глинистых грунтах.
Эффективность геоячеек и георешеток
Изначально геоячейки использовались для усиления базовых слоев поверх мягких ячеек. Но данное исследование, опубликованное в Geosynthetics India, предоставляет академическое доказательство того, что геоячейки NPA также очень эффективны в верхних слоях основания. На основании исследований, проведенных Хан, Похарель и другими, которые демонстрируют, что основания, армированные геоячейками NPA, обладают значительно более высокими характеристиками, чем неармированные основания, это исследование показывает, что армированный слой NPA-Geocell имеет коэффициент улучшения модуля 2,75. Испытания нагружением плиты в полевых условиях и демонстрационный проект показали, что геоячейки NPA значительно снижают затраты на строительство и техническое обслуживание.
Валидация – испытание нагружением плиты в полевых условиях
Исследование в полевых условиях было проведено на образцах с подъездной дороги к молочной ферме Говинд в Фалтане. В декабре 2010 года были проведены испытания плиты под нагрузкой для сравнения модуля образцов, армированных геоячейками NPA и неармированных образцов.
Испытание показало, что слой армированного геоячейками NPA грунта имеет коэффициент улучшения модуля 2,75, подтверждая аналогичные результаты других исследований.
Кроме этого, были сделаны следующие визуальные наблюдения:
На неармированных участках дороги наблюдались значительные неровности, в то время как на участках дороги, армированных геоячейками NPA, поверхность была идеально ровной.
На неармированных участках дороги наблюдалась сильная колейность, требующая частого ремонта.
Валидация – Демонстрационный проект
Еще одно испытание было проведено на 0,5-километровом демонстрационном участке автомагистрали Cross Israel Highway 6 в рамках проекта по расширению дороги. Испытание плиты под нагрузкой для сравнения армированного геоячейками NPA образца с неармированным образцом, было разработано специально для исследования снижения стоимости наполнителя и асфальта. Испытание показало коэффициент улучшения модуля 2,92 на образце, армированном геоячейками NPA.
Результаты – меньшая толщина, меньше обслуживания
Это исследование показало, что геоячейки NPA не только демонстрируют высокую прочность на растяжение, устойчивость к ползучести, стабильность размеров, но и то, что они могут быть использованы с большим эффектом в верхних слоях основания дорог с твердым покрытием для тяжелых условий эксплуатации. Благодаря повышенному модулю для демонстрационного проекта были зафиксированы следующие результаты:
Толщина асфальта может быть уменьшена с 200 мм до 160 мм.
Дорогостоящий щебень можно заменить материалом подстилающего слоя более низкого качества и более дешевым
Общая толщина подстилающего слоя может быть уменьшена на 20 мм
Одна полная глубокая очистка и укладка слоев асфальта могут быть сохранены на более 20 лет расчетного срока службы
Преимущества – меньше затрат, лучше для окружающей среды
Было обнаружено, что использование геоячеек NPA увеличивает прочность и несущую способность, позволяя уменьшить толщину слоя асфальта, слоев основания и подстилающего слоя Демонстрационный проект показал, что таким образом можно добиться экономии:
8% снижение затрат на строительство
Снижение затрат на техническое обслуживание на 50% в течение 20 лет
Дополнительная экономия на рабочей силе, оборудовании и логистике
Более широкое использование местных материалов и рабочей силы, что снижает углеродный след
Полевое испытание исползуя георешотку
Коэффициент (RF) уменьшения геоячейки NPA по сравнению с георешетками NPA Коэффициент уменьшения геоячеистого покрытия NPA превысил значения испытаний для георешеток на 30-40% в контролируемых полевых испытаниях на жесткость и деформацию дорожных оснований с 7 георешетками ведущих производителей. Ведущие исследователи из Голландии, США и Индии провели полевые испытания геосинтетического армирования оснований дорог. Данные испытаний, основанные на коэффициентах деформации, жесткости и армирования для геоячеек Neoloy, постоянно показывают более высокие результаты для геоячеек Neoloy по сравнению с георешетками, в дополнение к их способности использовать для заполнения материалы низкого качества. Гибридные решения, сочетающие георешетки в слое грунтового основания и геоячейки Neoloy в базовом слое, также доказали свою высокую эффективность.
Полевое испытание исползуя георешотку
Это контролируемое полевое испытание, проведенное KIWA (ранее KOAC-NPC), ведущим институтом дорожных исследований и стандартов в Нидерландах в 2008 году, сравнило коэффициент армирования различных георешеток в базовых слоях конструкций дорожного покрытия и балластных подушках. Геоячейки NPA были единственными геоячейками среди испытанных георешеток от 7 ведущих производителей и единственным протестированным материалом, который мог бы вместить некачественный заполнитель в качестве заполнителя дорожного основания. Результаты показали, что геоячейки Neoloy имеют самый высокий коэффициент уменьшения толщины дорожного покрытия среди всех протестированных материалов (0,72) и значительно превышают значения для георешеток.
Задача – сравнение армирующих материалов
Публикация 157 CROW «Дороги с тонким асфальтом» подчеркивает важность сравнения результатов соответствующих проектов при измерении коэффициента продления срока службы (LVF), коэффициента уменьшения толщины основания дороги (FRF) и аналогичных переменных. Тем не менее, в большинстве исследований не имелось необходимого объема для сравнения производительности и характеристик отклика нескольких материалов.
Валидация – нагрузочные испытания нескольких геосинтетических материалов
Испытания проводились в Нидерландах на экспериментальных участках дорожного покрытия, построенных в больших ангарах (1 250 кв. м), каждый из геосинтетических материалов был уложен на 55 см глиняного основания (CBR = 1,4%). Покрытие было разделено на 30 тестовых участков (каждый 4×4 кв. м) с различными армирующими геосинтетиками, включая 7 неармированных контрольных участков. Каждый образец состоял из дорожного основания, подстилающего слоя и земляного полотна. Следует отметить, что образец геочейки NPA Geocell был единственным испытанным материалом с использованием засыпного материала из переработанных строительных отходов.
Жесткость и деформация испытуемых секций были проверены нагружением FWD. Деформация измерялась с помощью двух контактных датчиков смещения, а пенетрологгер измерял сопротивление конуса глиняного основания.
Результаты – коэффициенты уменьшения толщины основания дороги превышают допустимые пределы
Результаты сравнительных испытаний зафиксировали коэффициент уменьшения основания дороги (RF) для геоячеек NPA, равный 0,73. Эта цифра оказалась намного выше нормы, а самый высокий опубликованный коэффициент RF для георешеток, равный 0,5, был установлен в качестве максимального предела. Геоячейки NPA Geocells зафиксировали среднее значение RF 0,43, что выше, чем у всех других протестированных материалов. Кроме этого, испытания также показали, что геоячейки Neoloy значительно снижают деформацию.
Геоячейки улучшают коэффициенты сейсмостойкости подпорных стен
Д. Лещинский (и др.) в ходе испытаний подпорных стен из геоячеек PRS в Национальном институте сейсмических исследований Японии пришел к выводу, что геоячейки можно успешно использовать для стен даже при очень высоких сейсмических нагрузках (коэффициент снижения 0,3–0,4). Исследования показали, что геоячейки, изготовленные из ПЭВП, непригодны для долгосрочного применения, и PRS были даны рекомендации по дальнейшей разработке своей геоячейки на основе Neoloy для требовательных приложений, требующих долговременной производительности.
Геоячейки улучшают коэффициенты сейсмостойкости подпорных стен
В этой статье профессора Лещинского (и др.) подведены итоги испытаний подпорных стен Neoloy на большом вибростенде в Национальном институте сейсмических исследований в Японии. Испытания различных типов стен воспроизводили сейсмическую активность, подобную сильному землетрясению. В исследовании сделан вывод о том, что геоячейки из новых полимерных смесей более подходят для долгосрочного использования, чем геоячейки из полиэтилена высокой плотности (ПЭВП) и могут успешно использоваться для формирования гравитационных стен, а также армирующих слоев даже при очень высокой сейсмической нагрузке, превышающей сейсмическую нагрузку землетрясения в Кобе.
Редакторы журнала «Geosynthetics» отметили, что эта статья отходит от курса, сосредотачивая внимание на конкретном материале… «в попытке предложить руководство, например, как можно эффективно разработать материал для отрасли геосинтетики (чтобы)… с большим успехом продвигать индустрию геосинтетики в 21 век».
Задача
В идеале проектирование любой конструкции, подверженной землетрясениям, должно основываться на допустимых восстанавливаемых и/или остаточных смещениях, но этот подход трудно реализуем по многим причинам. Цель этого исследования состояла в том, чтобы количественно определить разумный коэффициент снижения (RF) в качестве пикового ускорения грунта (PGA) для удерживающих конструкций геоячеек. Затем RF можно интегрировать с анализом устойчивости при предельном равновесии (LE) для проведения сейсмического и статического проектирования.
Выводы
В результате исследования были определены рекомендуемые коэффициенты снижения сейсмической активности (0,3-0,4), которые используются при проектировании гравитационных и армированных стен. Испытания 1 и 2 показывают, что гравитационные стены из геоячеек могут хорошо работать в условиях сейсмической нагрузки. Такие гравитационные системы могут быть экономичными для стен высотой до 3-4 м. Испытания 3 и 4 показывают, что армированная система, полностью состоящая из геоячейки и грунта, может быть эффективной и, вероятно, экономичной.
При этом проф. Лещинский отметил, что геоячейки, изготовленные из ПЭВП, непригодны для долгосрочного применения, и PRS были даны рекомендации по дальнейшей разработке своей геоячейки на основе Neoloy для требовательных приложений, требующих долговременной производительности.